Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP4359228B2 - Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP4359228B2 - Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method - Google Patents

Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method Download PDF

Info

Publication number
JP4359228B2
JP4359228B2 JP2004347586A JP2004347586A JP4359228B2 JP 4359228 B2 JP4359228 B2 JP 4359228B2 JP 2004347586 A JP2004347586 A JP 2004347586A JP 2004347586 A JP2004347586 A JP 2004347586A JP 4359228 B2 JP4359228 B2 JP 4359228B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
current
magnetic
magnetic recording
recording element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2004347586A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006156840A (en
Inventor
博史 森瀬
志保 中村
隆大 平井
茂 羽根田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2004347586A priority Critical patent/JP4359228B2/en
Publication of JP2006156840A publication Critical patent/JP2006156840A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4359228B2 publication Critical patent/JP4359228B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Description

本発明は、スピン偏極した電子を流すことにより、磁性体の磁化方向を制御し、情報の記録を行うことが可能な磁気記録素子、それを用いた磁気記録装置、およびそれを用いた磁気記録方法に係わり、特に、1つのメモリセルに1ビットより多い情報を記録する多値記録を行うことを特徴とする磁気記録素子等に関する。   The present invention relates to a magnetic recording element capable of controlling the magnetization direction of a magnetic material by flowing spin-polarized electrons and recording information, a magnetic recording device using the same, and a magnetic recording device using the magnetic recording device The present invention relates to a recording method, and more particularly, to a magnetic recording element or the like characterized by performing multi-value recording in which information larger than 1 bit is recorded in one memory cell.

近年、広範囲かつ高度に情報化された社会を支え、また、牽引していく存在として、様々な要求を満たす情報記録技術が求められている。強磁性体の磁気モーメントを利用した磁気記録装置は、例えば、ハードディスクドライブとして広く使われている他、高速性と不揮発性を合わせ持つ磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)としての利用が提案されている。   In recent years, as a presence that supports and leads a wide and highly informatized society, information recording technology that satisfies various requirements has been demanded. A magnetic recording device using the magnetic moment of a ferromagnetic material is widely used as, for example, a hard disk drive, and proposed as a magnetic random access memory (MRAM) having both high speed and non-volatility.

最近の高密度化の要求は、1ビットの情報を格納する単位セルとして100ナノメートルから数10ナノメートル、あるいはそれ以下の長さスケールに至り、情報の書き込み方式における技術的な壁がある。ハードディスクドライブやMRAMで用いられている電流磁界書き込み方式では、メモリセルのサイズを小さくするに従って、書き込みに必要な磁界を発生させるための電流量が増大する他、隣接セルへの誤作用(クロストーク)が避けられない。   Recently, the demand for higher density has reached a length scale of 100 nanometers to several tens of nanometers or less as a unit cell for storing 1-bit information, and there is a technical barrier in the information writing system. In the current magnetic field writing method used in hard disk drives and MRAMs, as the memory cell size is reduced, the amount of current for generating a magnetic field required for writing increases, as well as malfunctions in adjacent cells (crosstalk). ) Is inevitable.

非特許文献1に記載の電流直接駆動磁化反転現象は、電流磁界書き込み方式の問題を解決できる新しい磁気記録技術を提供するものとして期待されている。この現象は、磁性体の磁化方向と反平行方向にスピン偏極した電子の流れが磁性体を通過する際に、伝導電子のスピン角運動量を、磁性体の磁化に作用・伝達することで生じるトルクを使って磁化反転を起こすというものである。この現象を用いることにより、電流磁界による磁化反転と比べて、ナノスケールの磁性体に対して、より直接的な作用を及ぼすことが可能である。そのため、クロストークが生じないとともに、高速な磁化反転が期待できる。また、セル
サイズが小さくなるに従って書き込みに必要な電流量が減少するという利点もある。
F. J. Albert et al., Appl. Phys. Lett., 77, 3809 (2000)
The current direct drive magnetization reversal phenomenon described in Non-Patent Document 1 is expected to provide a new magnetic recording technique capable of solving the problem of the current magnetic field writing method. This phenomenon is caused by the action and transmission of the spin angular momentum of conduction electrons to the magnetization of the magnetic material when the flow of electrons spin-polarized in a direction antiparallel to the magnetization direction of the magnetic material passes through the magnetic material. This is to cause magnetization reversal using torque. By using this phenomenon, it is possible to exert a more direct effect on a nanoscale magnetic material as compared with magnetization reversal by a current magnetic field. Therefore, crosstalk does not occur and high-speed magnetization reversal can be expected. Another advantage is that the amount of current required for writing decreases as the cell size decreases.
FJ Albert et al., Appl. Phys. Lett., 77, 3809 (2000)

以上述べたように、電流直接駆動方式を用いることで、ナノスケールのメモリセルに対する書き込みが可能になるが、さらなる高記録密度化への潜在的な要求は、常に存在する。また、メモリセルをアレイ状に配置し配線を接続することで高記録密度MRAMとして用いることを想定すると、記録素子部だけでなく、回路選択のためのトランジスタなど記録素子の周辺部の微小化が必要になる。しかしながら、トランジスタのサイズの微小化には限界があるため、同一記録容量に対してより少ない数のトランジスタで済むような記録装置を作ることができれば多大な効果が期待できる。   As described above, by using the direct current driving method, writing to a nanoscale memory cell becomes possible, but there is always a potential demand for further higher recording density. Also, assuming that the memory cells are arranged in an array and connected to the wiring, and used as a high recording density MRAM, not only the recording element portion but also the peripheral portion of the recording element such as a transistor for circuit selection is miniaturized. I need it. However, since miniaturization of the transistor size is limited, a great effect can be expected if a recording apparatus that requires a smaller number of transistors for the same recording capacity can be manufactured.

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、電流直接駆動による磁化反転を書き込み方式として用い、一つの素子に複数ビットの情報を記録することを可能にする磁気記録素子、およびそれを用いて高記録密度化を実現する磁気記録装置、また磁気記録方法を提供することにある。   The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and an object of the present invention is to use magnetic reversal by direct current drive as a writing method and to record a plurality of bits of information on one element. It is an object of the present invention to provide a recording element, and a magnetic recording apparatus and a magnetic recording method that realize high recording density using the recording element.

上記事情に鑑みて、本発明の第一は、磁化方向が可変な磁性層(記録層)を有し、スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電流の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、前記磁化方向に応じた情報を記録可能な磁気記録素子であって、磁化方向が可変な第1の磁性層(記録層)と、前記第1の記録層上に形成された第1の非磁性層と、前記第1の非磁性層上に形成され、磁性体を含み、磁化方向が固着された固着層と、前記固着層上に形成された第2の非磁性層と、前記第2の非磁性層上に形成され、磁化方向が可変な第2の磁性層(記録層)と、を備え、前記第1の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(1;+),Ic(1;−)とし、前記第2の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(2;+),Ic(2;−)とすると、Ic(1;+)>Ic(2;+)かつ|Ic(1;−)|>|Ic(2;−)|であることを特徴とする磁気記録素子を提供する。   In view of the above circumstances, the first of the present invention has a magnetic layer (recording layer) having a variable magnetization direction, and is injected with spin-polarized electrons, depending on the direction of the flow of spin-polarized current. A magnetic recording element capable of recording information corresponding to the magnetization direction with a change in magnetization direction, and formed on a first magnetic layer (recording layer) having a variable magnetization direction and the first recording layer. A first nonmagnetic layer, a pinned layer formed on the first nonmagnetic layer and including a magnetic material, the magnetization direction of which is pinned, and a second nonmagnetic layer formed on the pinned layer And a second magnetic layer (recording layer) formed on the second nonmagnetic layer and having a variable magnetization direction, and the positive and negative reversal current critical values of the first magnetic layer are set to Ic (1 +), Ic (1 ;-), and the positive and negative reversal current critical values of the second magnetic layer are Ic (2; +), Ic (2 ;-) Ic (1; +)> Ic (2; +) and | Ic (1 ;-) |> | provide a magnetic recording element, characterized in that a is | Ic (2 ;-).

このような本発明の磁気記録素子は磁気記録装置などに適用することができる。   Such a magnetic recording element of the present invention can be applied to a magnetic recording apparatus or the like.

また、本発明の第二は、磁化方向が可変な磁性層(記録層)を有し、スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電流の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、前記磁化方向に応じた情報を記録可能な磁気記録素子であって、磁化方向が可変な第1の磁性層(記録層)と、前記第1の記録層上に形成された第1の非磁性層と、前記第1の非磁性層上に形成され、磁性体を含み、磁化方向が固着された固着層と、前記固着層上に形成された第2の非磁性層と、前記第2の非磁性層上に形成され、磁化方向が可変な第2の磁性層(記録層)と、を備え、前記第1の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(1;+),Ic(1;−)とし、前記第2の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(2;+),Ic(2;−)とすると、Ic(1;+)>Ic(2;+)かつ|Ic(1;−)|>|Ic(2;−)|を満たす磁気記録素子について、正の書き込み電流Iw(1;+),Iw(2;+)をIw(1;+)>Ic(1;+)>Iw(2;+)>Ic(2;+)を満たす値にとり、
負の書き込み電流Iw(1;−),Iw(2;−)をIw(1;−)<Ic(1;−)<Iw(2;−)<Ic(2;−)を満たす値にとり、反転電流の大きい前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層から順にデータ列b[1](=0 or 1),b[2](=0 or 1)を書きこむ際に、b[1]=0,b[2]=0を書き込む場合には、書き込み電流Iw(1;−)を流す工程と、b[1]=1,b[2]=1を書き込む場合には、書き込み電流Iw(1;+)を流す工程と、b[1]=0,b[2]=1を書き込む場合には、まず、書き込み電流Iw(1;+)を流し、次に、書き込み電流Iw(2;−)を流す工程と、b[1]=1,b[2]=0を書き込む場合には、まず、書き込み電流Iw(1;−)を流し、次に、書き込み電流Iw(2;+)を流す工程と、を有することを特徴とする磁気記録方法を提供する。
The second aspect of the present invention has a magnetic layer (recording layer) having a variable magnetization direction, in which spin-polarized electrons are injected, and the magnetization direction changes according to the direction of the spin-polarized current flow. A magnetic recording element capable of recording information according to the magnetization direction, wherein the first magnetic layer (recording layer) has a variable magnetization direction, and the first magnetic layer is formed on the first recording layer. A nonmagnetic layer; a pinned layer formed on the first nonmagnetic layer, including a magnetic material; and having a magnetization direction pinned; a second nonmagnetic layer formed on the pinned layer; 2 and a second magnetic layer (recording layer) having a variable magnetization direction, and the positive and negative reversal current critical values of the first magnetic layer are set to Ic (1; +), If Ic (1 ;−) and the positive and negative reversal current critical values of the second magnetic layer are Ic (2; +) and Ic (2 ;−), Ic (1; )> Ic (2; +) and | Ic (1 ;-) |> | Ic (2 ;-) | satisfying positive write currents Iw (1; +) and Iw (2; +) To a value satisfying Iw (1; +)> Ic (1; +)> Iw (2; +)> Ic (2; +)
Negative write currents Iw (1 ;−), Iw (2 ;−) are set to values satisfying Iw (1; −) <Ic (1; −) <Iw (2; −) <Ic (2 ;−) When writing the data strings b [1] (= 0 or 1) and b [2] (= 0 or 1) in order from the first magnetic layer and the second magnetic layer having a large reversal current, b [ 1] = 0, b [2] = 0 when writing, and when writing b [1] = 1, b [2] = 1, the writing current Iw (1 ;−) is passed. When writing the current Iw (1; +) and writing b [1] = 0, b [2] = 1, first, the write current Iw (1; +) is supplied, and then the write current Iw. In the case of writing (2 ;−) and writing b [1] = 1, b [2] = 0, first, the write current Iw (1 ;−) is supplied, and then the write current is supplied. And a step of flowing a flow Iw (2; +).

本発明の第一及び第二によれば、スピン偏極電流の注入による磁化反転を書き込み方式とする磁気記録素子において、1つの記録素子に複数ビットのデータを記録することが可能となる。また、この磁気記録素子を用いることにより高密度記録を実現する磁気記録装置を提供することができる。   According to the first and second aspects of the present invention, it is possible to record a plurality of bits of data on one recording element in a magnetic recording element using a magnetization reversal by injection of a spin-polarized current as a writing method. In addition, a magnetic recording apparatus that realizes high-density recording can be provided by using this magnetic recording element.

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳しく説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通する構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、参照する各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、図面表示の便宜上、形状や寸法、比等は実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to the structure which is common throughout embodiment and an Example, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each drawing to be referred to is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention. For convenience of drawing display, there are places where shapes, dimensions, ratios, and the like are different from the actual apparatus. The design can be changed as appropriate in consideration of known techniques.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る磁気記録素子について説明する。第1の実施の形態に係る磁気記録素子は、2ビットのデータを格納することのできる磁気記録素子である。
(First embodiment)
A magnetic recording element according to the first embodiment of the present invention will be described. The magnetic recording element according to the first embodiment is a magnetic recording element capable of storing 2-bit data.

<素子構造>
図1は、第1の実施の形態に係る磁気記録素子10の断面構造を模式的に表した図である。この磁気記録素子は、基板上に非磁性層などを介してあるいは介さずに、強磁性層FF1、非磁性層SL1、強磁性層FP1、非磁性層SU2、強磁性層FF2の順に積層されたものである。磁気記録素子10の平面形状は例えば四角であり、この場合の素子10の立体形状は四角柱もしくは四角錐台にすることができる。尚、図1に明示していないが、FF1の上部、FF2の下部に電極層を設けることができる。なお、強磁性層FP1、強磁性層FF1,FF2は、後述するように、複数のサブレイヤーからなる積層構造とすることもできる。
<Element structure>
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the magnetic recording element 10 according to the first embodiment. In this magnetic recording element, a ferromagnetic layer FF1, a nonmagnetic layer SL1, a ferromagnetic layer FP1, a nonmagnetic layer SU2, and a ferromagnetic layer FF2 are stacked in this order on a substrate with or without a nonmagnetic layer. Is. The planar shape of the magnetic recording element 10 is, for example, a square, and the three-dimensional shape of the element 10 in this case can be a square pillar or a truncated pyramid. Although not explicitly shown in FIG. 1, an electrode layer can be provided above FF1 and below FF2. Note that the ferromagnetic layer FP1 and the ferromagnetic layers FF1 and FF2 may have a laminated structure including a plurality of sublayers as described later.

まず、強磁性層FP1,FF1,FF2が単層である場合を説明する。   First, the case where the ferromagnetic layers FP1, FF1, and FF2 are single layers will be described.

強磁性層FP1は、強磁性材料からなる。 強磁性層FP1の磁化方向は膜面内に固着されており、電子電流の影響下においても変化しない。この磁化固着は、強磁性層FP1 に、一軸異方性定数Kuが非常に大きい磁性材料を用いることにより行うことができる。あるいは、FP1に、FF1、FF2に比べて厚さが十分に厚い膜を用いることにより行うことができる。この他、強磁性層FP1が積層構造を有する場合には、別の方法で磁化固着することができるが、これについては固着層の変形例として後述する。このように磁化が固着されていることで、強磁性層FP1の磁化は、外部磁場下においても実質的に回転しないようになる。以下、強磁性層FP1 を固着層と称する。   The ferromagnetic layer FP1 is made of a ferromagnetic material. The magnetization direction of the ferromagnetic layer FP1 is fixed in the film plane and does not change even under the influence of the electron current. This magnetization pinning can be performed by using a magnetic material having a very large uniaxial anisotropy constant Ku for the ferromagnetic layer FP1. Or it can carry out by using the film | membrane whose thickness is sufficiently thick compared with FF1 and FF2 for FP1. In addition, when the ferromagnetic layer FP1 has a laminated structure, the magnetization can be fixed by another method, which will be described later as a modified example of the fixed layer. Since the magnetization is fixed in this way, the magnetization of the ferromagnetic layer FP1 does not substantially rotate even under an external magnetic field. Hereinafter, the ferromagnetic layer FP1 is referred to as a fixed layer.

強磁性層FF1とFF2は、強磁性材料からなる。強磁性層FF1とFF2には、固着化機構を設けない。よって、強磁性層FF1, FF2 の磁化方向は電子電流の影響を受けることで変化可能である。以下、強磁性層FF1, FF2 を自由層と称する。   The ferromagnetic layers FF1 and FF2 are made of a ferromagnetic material. The ferromagnetic layers FF1 and FF2 are not provided with a fixing mechanism. Therefore, the magnetization directions of the ferromagnetic layers FF1 and FF2 can be changed by being influenced by the electron current. Hereinafter, the ferromagnetic layers FF1 and FF2 are referred to as free layers.

中間層SL1(SU2)は、Siなどの非磁性半導体、Cuなどの非磁性金属、SiO2の非磁性絶縁膜などからなる。中間層SL1(SU2)は、固着層FP1 と自由層FF1(FF2) との間に働く直接的な磁気相互作用が無視できる程度に固着層FP1 と自由層FF1(FF2) とを隔離するだけの膜厚が必要である。同時に、素子に電流を流した場合に、固着層FP1 を透過した伝導電子が自由層FF1(FF2) に至るまでに電子のスピンの方向が反転しないことが要求されるため、中間層SL1(SU2)の膜厚はスピン拡散長よりも薄いことが必要である。 Intermediate layer SL1 (SU2), a non-magnetic semiconductor such as Si, non-magnetic metals such as Cu, and the like non-magnetic insulation film SiO 2. The intermediate layer SL1 (SU2) only isolates the pinned layer FP1 and the free layer FF1 (FF2) to such an extent that the direct magnetic interaction between the pinned layer FP1 and the free layer FF1 (FF2) is negligible. Film thickness is required. At the same time, when a current is passed through the device, it is required that the direction of electron spin does not reverse before the conduction electrons transmitted through the pinned layer FP1 reach the free layer FF1 (FF2). ) Must be thinner than the spin diffusion length.

この磁気記録素子1において、電流を流さない状態で、自由層FF1 の磁化方向は膜面内にある容易軸方向の2つの方向のいずれかを向く。これらを、それぞれ「0」「1」のいずれかに割り当てることにより、自由層FF1 は1ビットのデータを格納することができる。自由層FF2 についても同様に1ビットのデータを格納することができるため、1個の磁気記録素子につき2ビットのデータを格納することができる。   In the magnetic recording element 1, the magnetization direction of the free layer FF1 faces one of two easy axis directions in the film plane in a state where no current flows. By assigning these to either “0” or “1”, the free layer FF1 can store 1-bit data. Similarly, since 1-bit data can be stored in the free layer FF2, 2 bits of data can be stored per magnetic recording element.

自由層の磁化のとりうる方向のうち、どちらを「0」あるいは「1」とするかは任意であり、自由層FF1 と自由層FF2 に格納するデータの定義は独立である。したがって、一般性を失わずに、自由層FF1 の磁化が固着層FP1 の磁化に対して平行(反平行)な方向を向く状態を「0」(「1」)と定義することができる。また、自由層FF2 の磁化が固着層FP1 の磁化に対して反平行(平行)な方向を向く状態を「0」(「1」)と定義することができる(図2参照)。図2では、各断面模式図の下に記載された符号が4つのデータのいずれかに対応している。また、図2に示したように、電流の正方向とはFF2からFF1に向かう方向であると定義する。このときの電子の流れは、図2に示したようにFF1からFF2に向かう方向である。以下、この定義を用いて説明する。   Which of the possible directions of magnetization of the free layer is “0” or “1” is arbitrary, and the definition of data stored in the free layer FF1 and the free layer FF2 is independent. Therefore, a state in which the magnetization of the free layer FF1 faces in a direction parallel (antiparallel) to the magnetization of the pinned layer FP1 can be defined as “0” (“1”) without losing generality. Further, the state in which the magnetization of the free layer FF2 is directed in an antiparallel (parallel) direction to the magnetization of the pinned layer FP1 can be defined as “0” (“1”) (see FIG. 2). In FIG. 2, the reference numerals shown below the cross-sectional schematic diagrams correspond to any of the four data. Further, as shown in FIG. 2, the positive direction of the current is defined as the direction from FF2 toward FF1. The flow of electrons at this time is in the direction from FF1 to FF2 as shown in FIG. Hereinafter, this definition will be used for explanation.

<書き込み方法>
磁気記録素子10におけるデータの書き込みの方法について説明する。情報の書き込みは、自由層FF1 とFF2 の間に電子流を流すことによって行われる。
<Writing method>
A method of writing data in the magnetic recording element 10 will be described. Information is written by flowing an electron stream between the free layers FF1 and FF2.

まず、正方向に電流を流す場合について説明する。このとき、電子流は、自由層FF1 から自由層FF2 に向けて流れる。自由層FF1 から固着層FP1 に流入した電子流のうち、一部は、固着層FP1 を通過して自由層FF2 に流入し、残りは、反射して自由層FF1 に戻る。   First, the case where a current is passed in the positive direction will be described. At this time, the electron flow flows from the free layer FF1 toward the free layer FF2. A part of the electron flow flowing from the free layer FF1 into the fixed layer FP1 passes through the fixed layer FP1 and flows into the free layer FF2, and the rest is reflected and returns to the free layer FF1.

この際、固着層FP1 を通過して自由層FF2 に流入する電子流は、固着層FP1 の磁化方向に平行な方向にスピン偏極しており、自由層FF2 の磁化は、このスピン偏極した電子流から電流強度に比例したトルクを受ける。電流を流す前の自由層FF2 の磁化方向が固着層FP1 の磁化方向に対して反平行な場合(「0」の場合)、電流の強度がある臨界値Ic(2,+) 以上であれば、自由層FF2 の磁化は反転して、固着層FP1 の磁化方向に平行な方向を向く。すなわち「1」が書き込まれる。つまり、臨界値Ic(2;+)は、正方向(+方向)の電流によって、自由層FF2の磁化が固着層FP1の磁化方向に平行な方向に向くために必要な値である。電流を流す前に、自由層FF2 に格納されたデータが「1」の場合は、正方向に電流を流しても、データは維持される。   At this time, the electron flow passing through the pinned layer FP1 and flowing into the free layer FF2 is spin-polarized in a direction parallel to the magnetization direction of the pinned layer FP1, and the magnetization of the free layer FF2 is spin-polarized. Torque is proportional to the current intensity from the electron current. If the magnetization direction of the free layer FF2 before passing the current is antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer FP1 (in the case of “0”), if the current intensity is greater than a certain critical value Ic (2, +) The magnetization of the free layer FF2 is reversed and faces the direction parallel to the magnetization direction of the pinned layer FP1. That is, “1” is written. That is, the critical value Ic (2; +) is a value necessary for the magnetization of the free layer FF2 to be directed in a direction parallel to the magnetization direction of the pinned layer FP1 by a positive current (+ direction). If the data stored in the free layer FF2 is “1” before the current is supplied, the data is maintained even if the current is supplied in the positive direction.

一方、固着層FP1 で反射して自由層FF1 に戻る電子流は、固着層FP1 の磁化方向に反平行な方向にスピン偏極しており、自由層FF1 の磁化は、このスピン偏極した電子流から電流強度に比例したトルクを受ける。電流を流す前の自由層FF1 の磁化方向が固着層FP1 の磁化方向に対して平行な場合(「0」の場合)、電流の強度がある臨界値Ic(1;+) 以上であれば、自由層FF1 の磁化は反転して、固着層FP1 の磁化方向に反平行な方向を向く。すなわち「1」が書き込まれる。電流を流す前に、自由層FF1 に格納されていたデータが「1」である場合は、正方向に電流を流しても、このデータは維持される。   On the other hand, the electron current reflected by the pinned layer FP1 and returning to the free layer FF1 is spin-polarized in a direction antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer FP1, and the magnetization of the free layer FF1 is the spin-polarized electron. The torque is proportional to the current intensity from the current. When the magnetization direction of the free layer FF1 before flowing the current is parallel to the magnetization direction of the pinned layer FP1 (in the case of “0”), if the current intensity is a certain critical value Ic (1; +) or more, The magnetization of the free layer FF1 reverses and faces in a direction antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer FP1. That is, “1” is written. If the data stored in the free layer FF1 is “1” before the current is supplied, this data is maintained even if the current is supplied in the positive direction.

素子を構成する各層の膜厚及び材料を選ぶことで、臨界値Ic(2;+) と臨界値Ic(1;+) の値が異なるようにすることができる。このような膜厚及び材料の選択については、後述する。このとき、これら2つの臨界値の中間の値をもつ大きさの電流を正方向に流すことにより、自由層FF1 と自由層FF2 のうち一方の磁化方向のみを反転させることが可能である。Ic(2; +) < Ic(1; +) の関係が成り立つ場合とIc(2; +) > Ic(1; +) の関係が成り立つ場合がありえるが、ここでは前者を例にとり、正方向に電流I(>0)を流す場合を考える。   The critical value Ic (2; +) and the critical value Ic (1; +) can be made different from each other by selecting the thickness and material of each layer constituting the element. The selection of such a film thickness and material will be described later. At this time, it is possible to reverse only one of the magnetization directions of the free layer FF1 and the free layer FF2 by flowing a current having a magnitude between these two critical values in the positive direction. The relationship Ic (2; +) <Ic (1; +) can be satisfied, and the relationship Ic (2; +)> Ic (1; +) can be satisfied. Let us consider a case in which a current I (> 0) is passed through.

図3乃至10は、電流書き込み工程を説明するための図である。各図の左列(“前”と表記した)に表した符号が電流書き込み前の磁気記録素子10が持つ符号であり、右列(“後”と表記した)に表した符号が電流書き込み後の磁気記録素子10の持つ符号である。   3 to 10 are diagrams for explaining the current writing process. The sign shown in the left column (represented as “front”) in each figure is the sign of the magnetic recording element 10 before current writing, and the sign represented in the right column (represented as “rear”) is after current writing. The magnetic recording element 10 of FIG.

IがI < Ic(2; +) を満たす場合、電流を流す前後で、図3に示したような状態変化が起こる。すなわち電流Iを流す前後において磁化方向は変化しない。IがIc(2; +) < I< Ic(1; +) を満たす場合、図4に示したような状態変化が起こる(図2(a)に示す磁化状態は図2(b)の磁化状態へ変化する)。IがI > Ic(1; +)を満たす場合、図5に示したような状態変化が起こる(図2(a)に示す磁化状態は、図2(d)に示す磁化状態に変化する)。   When I satisfies I <Ic (2; +), the state change as shown in FIG. 3 occurs before and after the current flows. That is, the magnetization direction does not change before and after the current I flows. When I satisfies Ic (2; +) <I <Ic (1; +), the state change as shown in FIG. 4 occurs (the magnetization state shown in FIG. 2 (a) is the magnetization state of FIG. 2 (b)). Change to state). When I satisfies I> Ic (1; +), the state change as shown in FIG. 5 occurs (the magnetization state shown in FIG. 2A changes to the magnetization state shown in FIG. 2D). .

次に、負方向の電流(I<0)を流す場合について説明する。この場合も同様の原理により、2つの臨界値Ic(1; −) <0、臨界値Ic(2; −) <0が定義でき、臨界値を越える大きさの電流を流す(|I|>|Ic(1; −)|あるいは|I|>|Ic(2; −)|)ことにより自由層FF1 あるいは自由層FF2 の磁化方向を反転させることができる。   Next, a case where a negative current (I <0) is supplied will be described. In this case as well, two critical values Ic (1; −) <0 and critical value Ic (2; −) <0 can be defined based on the same principle, and a current exceeding the critical value flows (| I |>) | Ic (1; −) | or | I |> | Ic (2; −) |), the magnetization direction of the free layer FF1 or the free layer FF2 can be reversed.

|Ic(1; −)|<|Ic(2; −)|の関係が成り立つ場合に、電流を負方向に流した場合の状態変化図は|I|<|Ic(1; −)|のとき図3のようになり、|Ic(1; −)|<|I|<|Ic(2; −)|のとき図6のようになる。I > Ic(2; −) のときは、図7のようになる。 従って、Ic(2; +) < Ic(1; +) かつ|Ic(1; −)|<|Ic(2; −)|が成り立つ場合には、図3乃至7の5通りの状態変化が可能であり、3値の磁気記録素子として利用できることがわかる。しかし、これらの状態変化のうちで”10 ”以外の状態から”10 ”への変化が存在しないため、この場合、4値の値をとる記録素子としては利用できないことになる。   When the relationship | Ic (1; −) | <| Ic (2; −) | is satisfied, the state change diagram when the current is flowed in the negative direction is represented by | I | <| Ic (1; −) | 3 and when | Ic (1; −) | <| I | <| Ic (2; −) | When I> Ic (2; −), the result is as shown in FIG. Therefore, when Ic (2; +) <Ic (1; +) and | Ic (1; −) | <| Ic (2; −) | are satisfied, the five state changes shown in FIGS. It can be seen that it can be used as a ternary magnetic recording element. However, since there is no change from a state other than “10” to “10” among these state changes, in this case, it cannot be used as a recording element having four values.

|Ic(1; −)|>|Ic(2; −)|の関係が成り立つ場合に、電流を負方向に流した場合の状態変化は、|I|<|Ic(2; −)|のとき、図3のようになり、|Ic(2; −)|<|I|<|Ic(1; −)|のとき図4のようになる。|I|>|Ic(1; −)|のときは、図7のようになる。   When the relationship | Ic (1; −) |> | Ic (2; −) | is satisfied, the state change when the current is flowed in the negative direction is: | I | <| Ic (2; −) | When FIG. 3 is obtained, when | Ic (2; −) | <| I | <| Ic (1; −) |, FIG. 4 is obtained. When | I |> | Ic (1; −) |, the result is as shown in FIG.

従って、Ic(1; +) > Ic(2; +) かつ|Ic(1; −)|>|Ic(2; −)|が成り立つ場合には、図3乃至6、7,8の5通りの状態変化が可能である。この場合は、2回の状態変化を経て”00”,”01”,”10”,”11”の4状態のうちの任意の状態から他の任意の状態へと変化させることが可能である。書き込みに先立ち状態を読み出す必要がないため、高速かつ簡便な書き込みが可能である。   Therefore, when Ic (1; +)> Ic (2; +) and | Ic (1 ;-) |> | Ic (2 ;-) | are satisfied, five patterns shown in FIGS. State change is possible. In this case, it is possible to change from any of the four states “00”, “01”, “10”, and “11” to another arbitrary state through two state changes. . Since it is not necessary to read the state prior to writing, high-speed and simple writing is possible.

具体的には、例えば、図9に示したような手順で所望の状態を書き込むことができる。つまり、関係Iw(1; +) > Ic(1; +) > Iw(2; +) > Ic(2; +) > 0 > Ic(2;-) >Iw(2;-) > Ic(1;-) > Iw(1;-) を満たす電流値Iw(1; +); Iw(2; +); Iw(1;-); Iw(2;-) を選ぶ。”00 ”を書き込むには、電流Iw(1;-) を流す。”01 ”を書き込むには、まず電流Iw(1;-) を流し、続いて電流Iw(2; +) を流す。”10 ”を書き込むには、まず電流Iw(1; +) を流し、続いて電流Iw(2;-) を流す。”11 ”を書き込むには、電流Iw(1; +) を流す。   Specifically, for example, a desired state can be written by the procedure shown in FIG. That is, the relationship Iw (1; +)> Ic (1; +)> Iw (2; +)> Ic (2; +)> 0> Ic (2 ;-)> Iw (2 ;-)> Ic (1 ;-)> Iw (1; +); Iw (2; +); Iw (1 ;-); Iw (2 ;-) is selected. In order to write “00”, a current Iw (1 ;-) is passed. In order to write “01”, first, the current Iw (1 ;−) is supplied, and then the current Iw (2; +) is supplied. In order to write “10”, first, the current Iw (1; +) is supplied, and then the current Iw (2 ;−) is supplied. In order to write “11”, a current Iw (1; +) is passed.

<読み出し方法>
次に、第1の実施の形態による磁気記録素子における情報の読み出し方法について説明する。
<Reading method>
Next, a method for reading information in the magnetic recording element according to the first embodiment will be described.

自由層FF1 およびFF2 の磁化方向として格納された情報は、磁気抵抗効果を利用して読み出すことができる。固着層FP1と自由層FF1 の間に電流を流したときの電気抵抗は、磁化方向が互いに平行のときの値R1に比べて、互いに反平行のときに高くなり、R1+ΔR1と書ける。同様に、固着層FP1 と自由層FF2 の間に電流を流したときの電気抵抗は、磁化方向が互いに平行のときの値R2に比べて、互いに反平行のときに高くなり、R2+ΔR2と書ける。   Information stored as the magnetization directions of the free layers FF1 and FF2 can be read using the magnetoresistance effect. The electric resistance when a current is passed between the fixed layer FP1 and the free layer FF1 is higher when the magnetization directions are antiparallel to each other than the value R1 when the magnetization directions are parallel to each other, and can be written as R1 + ΔR1. Similarly, the electric resistance when a current is passed between the pinned layer FP1 and the free layer FF2 is higher when the magnetization directions are antiparallel to each other than the value R2 when the magnetization directions are parallel to each other, and can be written as R2 + ΔR2.

書き込みの項で述べた例、すなわち、Ic(1; +) > Ic(2; +) かつ|Ic(1; −)|>|Ic(2; −)|が成り立つ場合を例にとって説明する。Ic(2;−)<I<Ic(2;+)を満たし、かつ、出力電圧が十分に確保できる程度の大きさを持つセンス電流を流したとき、ΔR1≠ΔR2ならば、自由層FF1 および自由層FF2 の磁化方向に応じて図11の断面模式図に示したように、電気抵抗が記録状態に応じた4つの異なる値をとる。したがって、この電気抵抗の違いにより、読み出しを行うことが可能である。   An example described in the writing section, that is, a case where Ic (1; +)> Ic (2; +) and | Ic (1 ;−) |> | Ic (2 ;−) | When a sense current satisfying Ic (2; −) <I <Ic (2; +) and having a magnitude sufficient to ensure a sufficient output voltage is supplied, if ΔR1 ≠ ΔR2, the free layer FF1 and Depending on the magnetization direction of the free layer FF2, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 11, the electric resistance takes four different values depending on the recording state. Therefore, reading can be performed by the difference in electric resistance.

<固着層及び自由層の変形例>
図12乃至26は、夫々、固着層FP1 および自由層FF1,FF2の断面を示す模式図である。
<Modified example of fixed layer and free layer>
12 to 26 are schematic views showing cross sections of the fixed layer FP1 and the free layers FF1 and FF2, respectively.

図12乃至26において、FMは強磁性サブレイヤー、FCは非磁性層であって、これを挟む2つの強磁性サブレイヤーFM間に強磁性的な結合をもたらす結合層である。ACは非磁性層であって、これを挟む2つの強磁性サブレイヤーFM間に反強磁性的な結合をもたらす結合層である。図12乃至26における矢印は、容易磁化方向を示している。 12 to 26, FM is a ferromagnetic sublayer, and FC is a nonmagnetic layer, which is a coupling layer that provides ferromagnetic coupling between two ferromagnetic sublayers FM sandwiching the FM. AC is a nonmagnetic layer, and is a coupling layer that provides antiferromagnetic coupling between two ferromagnetic sublayers FM sandwiching the AC. The arrows in FIGS. 12 to 26 indicate the easy magnetization direction.

固着層FP1 および自由層FF1,FF2 は、それぞれ、図12から図26に示した断面模式図のうちのいずれかの内部構造をしている。また、固着層FP1 および自由層FF1,FF2 を構成する強磁性サブレイヤーFMは、複数の強磁性膜が積層された構造を有していても良い。つまり、固着層FP1 および自由層FF1,FF2 は、それぞれ、強磁性体の単層膜であるか、2層以上の強磁性膜が積層された多層膜、あるいは、強磁性のサブレイヤーFMおよび非磁性のサブレイヤーFC,ACが積層された多層膜である。固着層FP1は、その他の例として、図12から図26に示した断面模式図のうちのいずれかの内部構造を有し、かつ、固着層FP1を構成するサブレイヤーFMが、さらに内部構造を有し、強磁性膜が2層以上、反強磁性膜が1層以上積層された構造とすることもできる。ただし、この場合、固着層FP1を構成する膜のうち、中間層SU1と接する膜、および、中間層SL1と接する膜については、強磁性膜であることが必要である。このような積層構造は、強磁性膜と反強磁性膜の間に交換結合が存在するため、強磁性層の磁化を固着させる手段として用いることができる。   Each of the fixed layer FP1 and the free layers FF1 and FF2 has the internal structure of any one of the schematic cross-sectional views shown in FIGS. The ferromagnetic sublayer FM constituting the fixed layer FP1 and the free layers FF1 and FF2 may have a structure in which a plurality of ferromagnetic films are stacked. That is, the fixed layer FP1 and the free layers FF1 and FF2 are each a single layer film of a ferromagnetic material, a multilayer film in which two or more layers of ferromagnetic films are laminated, or a ferromagnetic sublayer FM and a non-layered film. A multilayer film in which magnetic sublayers FC and AC are laminated. As another example, the fixing layer FP1 has an internal structure of any of the schematic cross-sectional views shown in FIGS. 12 to 26, and the sublayer FM constituting the fixing layer FP1 further has an internal structure. It is also possible to have a structure in which two or more ferromagnetic films and one or more antiferromagnetic films are stacked. However, in this case, among the films constituting the fixed layer FP1, the film in contact with the intermediate layer SU1 and the film in contact with the intermediate layer SL1 need to be ferromagnetic films. Such a laminated structure can be used as a means for fixing the magnetization of the ferromagnetic layer because exchange coupling exists between the ferromagnetic film and the antiferromagnetic film.

固着層FP1 および(あるいは)自由層FF1, FF2 が複数の強磁性サブレイヤーFMからなる場合、自由層FF1, FF2 に格納されるデータを以下のように定めることにより、それぞれが単層の場合と同様の方法で、書き込みおよび読み出しを行うことができる。自由層FF1 に格納されるデータは、固着層FP1 を構成するサブレイヤーのうち、中間層SL1 に接する強磁性サブレイヤーの磁化方向と、自由層FF1 層を構成するサブレイヤーのうち、中間層SL1 に接する強磁性サブレイヤーの磁化方向が互いに平行である場合に「0」、反平行である場合に「1」と定義する。自由層FF2 に格納されるデータは、固着層FP1 を構成するサブレイヤーのうち、中間層SU2 に接する強磁性サブレイヤーの磁化方向と、自由層FF2 層を構成するサブレイヤーのうち、中間層SU2 に接する強磁性サブレイヤーの磁化方向が互いに反平行である場合に「0」、平行である場合に「1」と定義する。   When the fixed layer FP1 and / or the free layers FF1 and FF2 are composed of a plurality of ferromagnetic sublayers FM, the data stored in the free layers FF1 and FF2 is defined as follows, Writing and reading can be performed in a similar manner. The data stored in the free layer FF1 includes the magnetization direction of the ferromagnetic sublayer in contact with the intermediate layer SL1 among the sublayers constituting the fixed layer FP1, and the intermediate layer SL1 among the sublayers constituting the free layer FF1. It is defined as “0” when the magnetization directions of the ferromagnetic sublayers in contact with each other are parallel to each other, and “1” when the magnetization directions are antiparallel. Data stored in the free layer FF2 includes the magnetization direction of the ferromagnetic sublayer in contact with the intermediate layer SU2 among the sublayers constituting the pinned layer FP1, and the intermediate layer SU2 among the sublayers constituting the free layer FF2 layer. It is defined as “0” when the magnetization directions of the ferromagnetic sublayers in contact with each other are antiparallel to each other, and “1” when they are parallel.

固着層FP1、および自由層FF1,FF2 を構成する非磁性サブレイヤーFC,ACは、それに隣接する両側の強磁性サブレイヤーの間に層間交換結合を生じさせる役割を担う。   The nonmagnetic sublayers FC and AC constituting the fixed layer FP1 and the free layers FF1 and FF2 play a role of causing interlayer exchange coupling between the ferromagnetic sublayers on both sides adjacent to the nonmagnetic sublayer FC and AC.

一般に、非磁性層を介した層間交換結合は、図27に模式的に表したように非磁性層の膜厚に対して正負に振動する。従って、図27において正または負のピーク位置のいずれかに対応するように非磁性サブレイヤーの膜厚を設定すれば、その両側に隣接する強磁性サブレイヤーの間に強磁性的または反強磁性的な交換結合が生じる。強磁性層間交換結合を生じさせる非磁性サブレイヤーFCの膜厚は、例えば、図27におけるt1に調節すれば良い。また、反強磁性層間交換結合を生じさせる非磁性サブレイヤーACの膜厚は、例えば、図27におけるt2 に調節すれば良い。 In general, interlayer exchange coupling through a nonmagnetic layer vibrates positively and negatively with respect to the film thickness of the nonmagnetic layer as schematically shown in FIG. Therefore, if the film thickness of the nonmagnetic sublayer is set so as to correspond to either the positive or negative peak position in FIG. 27, the ferromagnetic or antiferromagnetic between the adjacent ferromagnetic sublayers on both sides thereof. Exchange coupling occurs. The film thickness of the nonmagnetic sublayer FC that causes the ferromagnetic interlayer exchange coupling may be adjusted to t 1 in FIG. 27, for example. The film thickness of the nonmagnetic sublayer AC that causes antiferromagnetic interlayer exchange coupling may be adjusted to t 2 in FIG. 27, for example.

<磁気記録素子の構造の変形例>
本実施形態の磁気記録素子には、図28乃至図32の模式断面図を示したような変形構造を用いることができる。これらは、いずれも2ビットのデータを格納、記録、再生が可能な磁気記録素子である。
<Modification of structure of magnetic recording element>
For the magnetic recording element of this embodiment, a modified structure as shown in the schematic cross-sectional views of FIGS. 28 to 32 can be used. These are all magnetic recording elements capable of storing, recording and reproducing 2-bit data.

図28乃至図32における強磁性層のそれぞれは、図12乃至図26に示したような内部構造を持ち、複数の磁性層や、強磁性サブレイヤーFMと非磁性サブレイヤーFC,ACからなる積層構造とすることもできる。さらに、各強磁性サブレイヤーFMは複数の磁性層が積層されたものでもよい。また、さらに、図28乃至図32における強磁性層FP0,FP1、FP2は、それぞれ、各強磁性サブレイヤーFMを、強磁性膜が1層以上、反強磁性膜が1層以上積層された構造とすることもできる。ただし、この場合、固着層FP0,FP1、FP2を構成する膜のうち、中間層SU1,SL1、SU2,SL2と接する膜については、強磁性膜であることが必要である。このような積層構造は、図1に示した素子における強磁性層FP1の場合と同様に、強磁性層の磁化を固着させる手段として用いることができる。   Each of the ferromagnetic layers in FIGS. 28 to 32 has an internal structure as shown in FIGS. 12 to 26, and is composed of a plurality of magnetic layers, or a laminated structure including a ferromagnetic sublayer FM and nonmagnetic sublayers FC and AC. It can also be a structure. Furthermore, each ferromagnetic sublayer FM may be a laminate of a plurality of magnetic layers. In addition, the ferromagnetic layers FP0, FP1, and FP2 in FIGS. 28 to 32 are each a structure in which each ferromagnetic sublayer FM is laminated with one or more ferromagnetic films and one or more antiferromagnetic films. It can also be. However, in this case, of the films constituting the fixed layers FP0, FP1, and FP2, the films in contact with the intermediate layers SU1, SL1, SU2, and SL2 need to be ferromagnetic films. Such a laminated structure can be used as a means for fixing the magnetization of the ferromagnetic layer as in the case of the ferromagnetic layer FP1 in the element shown in FIG.

図28に示す素子は、図1に示す素子とほぼ同じ構造を有しているが、強磁性層Fが所定の方向の磁化を有するが、その磁化が固着されていない点が図1と異なる。しかしながら、この素子においても、記録後、次に再生されるまでの時間に強磁性層Fの磁化が反転してはならないという制約条件が課される。   The element shown in FIG. 28 has substantially the same structure as the element shown in FIG. 1, except that the ferromagnetic layer F has magnetization in a predetermined direction, but the magnetization is not fixed. . However, this element also imposes a constraint that the magnetization of the ferromagnetic layer F must not be reversed after recording until the next reproduction.

図29は、図1の積層構造に加えて、強磁性層FF1の上部に非磁性層SU1と強磁性層FP0が置かれた構造を示している。強磁性層FP0,FP1の磁化は固着されている。強磁性層FP0,FP1、FF1が単層である場合、FP0とFP1の磁化方向は互いに反平行であることが望ましい。このような磁化方向を選ぶことにより、自由層FF1に働くトルクが図1の場合に比べて、少なくとも2倍になり、反転電流を下げることができる(特開2004−193595参照)。強磁性層FP0、FP1,FF1のすべてまたはいずれかが図12乃至28に示したような積層構造を有している場合も次の2つの条件のうちいずれかを満たしていれば、同様の反転電流低減化の効果がある。また、この2つの条件は反転電流値の制御方法として利用できる。   FIG. 29 shows a structure in which the nonmagnetic layer SU1 and the ferromagnetic layer FP0 are placed on the ferromagnetic layer FF1 in addition to the stacked structure of FIG. The magnetizations of the ferromagnetic layers FP0 and FP1 are fixed. When the ferromagnetic layers FP0, FP1, and FF1 are single layers, it is desirable that the magnetization directions of FP0 and FP1 are antiparallel to each other. By selecting such a magnetization direction, the torque acting on the free layer FF1 is at least twice that in the case of FIG. 1, and the reversal current can be reduced (see JP 2004-193595). When all or any one of the ferromagnetic layers FP0, FP1, and FF1 has a laminated structure as shown in FIGS. 12 to 28, the same inversion is performed if either of the following two conditions is satisfied. There is an effect of current reduction. These two conditions can be used as a method for controlling the inversion current value.

第1の条件は、自由層FF1が図12乃至19のいずれかの積層構造を有し、かつ、固着層FP0を構成するサブレイヤーのうち、中間層SU1に最も近い位置にある強磁性サブレイヤーの磁化方向と、固着層FP1を構成するサブレイヤーのうち、中間層SL1に最も近い位置にある強磁性サブレイヤーの磁化方向とが互いに反平行になることである。   The first condition is that the free layer FF1 has the laminated structure of any of FIGS. 12 to 19 and among the sublayers constituting the fixed layer FP0, the ferromagnetic sublayer that is closest to the intermediate layer SU1. And the magnetization direction of the ferromagnetic sublayer closest to the intermediate layer SL1 among the sublayers constituting the pinned layer FP1 are antiparallel to each other.

第2の条件は、自由層FF1が図20乃至28のいずれかの積層構造を有し、かつ、固着層FP0を構成するサブレイヤーのうち、中間層SU1に最も近い位置にある強磁性サブレイヤーの磁化方向と、固着層FP1を構成するサブレイヤーのうち、中間層SL1に最も近い位置にある強磁性サブレイヤーの磁化方向とが互いに平行になることである。 The second condition is that the ferromagnetic sublayer in which the free layer FF1 has the laminated structure of any of FIGS. 20 to 28 and is closest to the intermediate layer SU1 among the sublayers constituting the fixed layer FP0. And the magnetization direction of the ferromagnetic sublayer closest to the intermediate layer SL1 among the sublayers constituting the pinned layer FP1 are parallel to each other.

図30は、図1の積層構造に加えて、強磁性層FF2の下部に非磁性層SL2と強磁性層FP2を積層した構造の断面模式図である。強磁性層FP1,FP2の磁化は固着されている。上と同様の理由で、強磁性層FP1,FP2、FF2が単層である場合、FP1,FP2の磁化方向は互いに反平行であれば反転電流低減化が期待できるため望ましい。また、強磁性層FP1、FP2,FF2のすべてまたはいずれかが図12乃至26に示したような積層構造を有している場合も、FP1、FP2,FF2が、図29の構造を持つ素子における、FP0、FP1,FF1が満たすべき関係を満たすことで反転電流低減化の効果が得られる。   FIG. 30 is a schematic cross-sectional view of a structure in which a nonmagnetic layer SL2 and a ferromagnetic layer FP2 are stacked below the ferromagnetic layer FF2 in addition to the stacked structure of FIG. The magnetizations of the ferromagnetic layers FP1 and FP2 are fixed. For the same reason as above, when the ferromagnetic layers FP1, FP2, and FF2 are single layers, it is desirable that the reversal current can be reduced if the magnetization directions of FP1 and FP2 are antiparallel to each other. Further, when all or any one of the ferromagnetic layers FP1, FP2, and FF2 has a stacked structure as shown in FIGS. 12 to 26, the FP1, FP2, and FF2 are the elements in the structure having the structure shown in FIG. , FP0, FP1, and FF1 satisfy the relationship to be satisfied, and the effect of reducing the inversion current can be obtained.

図31は、図1の積層構造に加えて、強磁性層FF1の上部に非磁性層SU1と強磁性層FP0が置かれ、さらに、強磁性層FF2に非磁性層SL2と強磁性層FP2が積層された構造の断面模式図である。強磁性層FP0,FP1,FP2の磁化は所定方向に固着されている。   In FIG. 31, in addition to the stacked structure of FIG. 1, the nonmagnetic layer SU1 and the ferromagnetic layer FP0 are placed on the ferromagnetic layer FF1, and the nonmagnetic layer SL2 and the ferromagnetic layer FP2 are further provided on the ferromagnetic layer FF2. It is a cross-sectional schematic diagram of the laminated structure. The magnetizations of the ferromagnetic layers FP0, FP1, and FP2 are fixed in a predetermined direction.

上記の図29におけるFP0とFP1が満たすべき関係を図31におけるFP0とFP1が満たせば、同様の反転電流低減効果がある。また、上記の図30におけるFP1とFP2が満たすべき関係を図31におけるFP1とFP2が満たせば、同様の反転電流低減効果がある。   If FP0 and FP1 in FIG. 31 satisfy the relationship to be satisfied by FP0 and FP1 in FIG. 29, there is a similar inversion current reduction effect. Further, if the relationship that FP1 and FP2 in FIG. 30 should satisfy is satisfied by FP1 and FP2 in FIG.

図32は、図31の積層構造から強磁性層FP1を除いた構造を有している。この場合、自由層FF1,FF2に格納されるデータの定義を以下のように定めることにより、図1の構造を持つ素子の書き込みの項で説明した方法により書き込みを行うことができる。自由層FF1に格納されるデータは、自由層FF1を構成する強磁性サブレイヤーのうち最上部に位置するものの磁化方向が、固着層FP0を構成する強磁性サブレイヤーのうち最下部に位置するものの磁化方向に対して平行であるとき「1」、反平行であるとき「0」であると定義する。   FIG. 32 has a structure in which the ferromagnetic layer FP1 is removed from the stacked structure of FIG. In this case, by defining the data stored in the free layers FF1 and FF2 as follows, writing can be performed by the method described in the section of writing of the element having the structure of FIG. The data stored in the free layer FF1 is that the magnetization direction of the ferromagnetic sublayer that constitutes the free layer FF1 is located at the bottom of the ferromagnetic sublayer that constitutes the fixed layer FP0. It is defined as “1” when parallel to the magnetization direction and “0” when antiparallel.

図28から図32に示した各素子における読み出し方法は、図1に示した素子の場合と同様に磁気抵抗効果を用いて読み出すことができる。すなわち、非磁性層を介して接する2 つの強磁性層の磁化方向が互いに平行な場合と反平行な場合で各層の接合面に垂直に電流を流したときの電気抵抗が異なることを用いる。   The reading method in each element shown in FIGS. 28 to 32 can be read using the magnetoresistive effect as in the case of the element shown in FIG. That is, it is used that the electric resistance when current flows perpendicularly to the junction surface of each layer is different between the case where the magnetization directions of two ferromagnetic layers in contact with each other through the nonmagnetic layer are parallel to each other and antiparallel.

図1、図28乃至図32に示した各素子において、強磁性層のすべてまたは一部に垂直磁気異方性を持つ材料を用いることもできる。自由層に垂直磁気異方性を持つ材料を用いる場合、それに非磁性層を介して接する固着層、あるいは、図28の素子における強磁性層Fも垂直磁気異方性を有する。   In each element shown in FIGS. 1 and 28 to 32, a material having perpendicular magnetic anisotropy may be used for all or part of the ferromagnetic layer. When a material having perpendicular magnetic anisotropy is used for the free layer, the pinned layer in contact with the non-magnetic layer or the ferromagnetic layer F in the element of FIG. 28 also has perpendicular magnetic anisotropy.

<各層の材料および膜厚>
次に、上記磁気記録素子の各層の構成材料について説明する。
<Material and film thickness of each layer>
Next, constituent materials of each layer of the magnetic recording element will be described.

自由層FF1,FF2 には、Co,Fe,Ni またはこれらを含む合金を用いることができる。また、自由層の厚さは、0.6nm-100nm の範囲内とすることが望ましい。   Co, Fe, Ni or an alloy containing these can be used for the free layers FF1 and FF2. The thickness of the free layer is preferably in the range of 0.6 nm-100 nm.

固着層FP0,FP1,FP2 の磁化を固着させるための反強磁性層の材料としては、Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Pd-Mn, Pd-Pt-Mn, Ir-Mn, Pt-Ir-Mn, NiO, Fe2O3、磁性半導体などを用いることが望ましい。 The materials of the antiferromagnetic layer to fix the magnetization of the pinned layers FP0, FP1, and FP2 are Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Pd-Mn, Pd-Pt-Mn. Ir-Mn, Pt-Ir-Mn, NiO, Fe 2 O 3 , magnetic semiconductors, etc. are preferably used.

固着層FP0,FP1,FP2には、Co,Fe,Niまたはこれらを含む合金を用いることができる。また、固着層FP0,FP1,FP2の材料のスピン分極率が高い方が固着層FP1 と自由層の間に垂直に電流を流したときの磁化反転効率が高くなるので望ましい。また、このとき、MR比が大きくなり、読み出しが容易になるという利点もある。従って、ハーフメタルと呼ばれる高スピン分極率材料は、固着層の材料として理想的である。ハーフメタルの例として、ホイスラー系合金、ルチル型酸化物、スピネル型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、二重ペロブスカイト型酸化物、閃亜鉛鉱型クロム化合物、パイライト型マンガン化合物、センダスト合金が含まれる。固着層FP1 の厚さは、0.2nm-50nm の範囲内とすることが望ましい。 Co, Fe, Ni, or an alloy containing these can be used for the fixed layers FP0, FP1, and FP2. In addition, the higher the spin polarizability of the material of the pinned layers FP0, FP1, and FP2, the higher the magnetization reversal efficiency when a current is passed between the pinned layer FP1 and the free layer, which is desirable. Further, at this time, there is an advantage that the MR ratio becomes large and reading becomes easy. Therefore, a high spin polarizability material called half metal is ideal as a material for the pinned layer. Examples of the half metal include a Heusler alloy, a rutile oxide, a spinel oxide, a perovskite oxide, a double perovskite oxide, a zinc blende chromium compound, a pyrite manganese compound, and a sendust alloy. The thickness of the fixed layer FP1 is preferably in the range of 0.2 nm to 50 nm.

また、これらの磁性体には、Ag、Cu、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nb、Hなどの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。   These magnetic materials include Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo, Nb, H, and the like. By adding a non-magnetic element, the magnetic properties can be adjusted, and other physical properties such as crystallinity, mechanical properties, and chemical properties can be adjusted.

固着層FP1 および(あるいは)自由層FFが多層膜構造を有する場合、それを構成する非磁性サブレイヤーの材料として、Cu,Au,Ag,Ru,Ir,Os あるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。   When the pinned layer FP1 and / or the free layer FF has a multilayer film structure, Cu, Au, Ag, Ru, Ir, Os or any one or more of them is used as the material of the nonmagnetic sublayer constituting the layer. Including alloys can be used.

強磁性層の磁化が反転するための電流(反転電流)は、非特許文献1によると効率因子g、自由層の膜厚t として、t/g に比例する。効率因子gは、固着層および自由層に用いる材料のスピン偏極度に依存する他、素子構造にも依存する。素子構造とは、例えば、自由層に非磁性層を介して積層された固着層の数等であり、自由層に働くトルクの大きさを変化させる構造である。強磁性層また、電流を正方向に流す場合と負方向に流す場合とで異なる。したがって、自由層FF1 の反転電流値と自由層FF2 の反転電流値の大小関係が正負で逆転しないように材料や膜厚を適宜調整することが必要である。   According to Non-Patent Document 1, the current for reversing the magnetization of the ferromagnetic layer (reversal current) is proportional to t / g as the efficiency factor g and the thickness t of the free layer. The efficiency factor g depends not only on the spin polarization degree of the material used for the pinned layer and the free layer, but also on the element structure. The element structure is, for example, the number of pinned layers laminated on the free layer via a nonmagnetic layer, and the like, and is a structure that changes the magnitude of torque acting on the free layer. The ferromagnetic layer is different depending on whether the current is passed in the positive direction or the negative direction. Therefore, it is necessary to appropriately adjust the material and film thickness so that the magnitude relationship between the reversal current value of the free layer FF1 and the reversal current value of the free layer FF2 is positive or negative.

強磁性層FP0,FP1,FP2,FF1,FF2 の磁化方向を膜面に垂直方向に向ける場合は、磁気異方性エネルギー密度Kuが大きく、垂直磁気異方性を示すFePt,CoPt,FePd,CoPd などを用いることで、これを行うことができる。また、hcp構造(最密六方構造)の結晶構造を持ち、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、Coを主成分とする金属を含むものが代表的であるが、他のhcp構造を有する金属を用いることもできる。その他、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、GdFe、GdFeCo、TbFe、TbFeCo、DyFe、DyFeCoなどが挙げられる。また、積層構造を有する場合、それを構成する強磁性サブレイヤーとしてCoを、非磁性サブレイヤーとしてPtまたはPdを用いることができる。   When the magnetization directions of the ferromagnetic layers FP0, FP1, FP2, FF1, and FF2 are oriented perpendicularly to the film surface, the magnetic anisotropy energy density Ku is large and FePt, CoPt, FePd, CoPd exhibiting perpendicular magnetic anisotropy. This can be done using In addition, a magnetic material having a crystal structure of hcp structure (close-packed hexagonal structure) and showing perpendicular magnetic anisotropy can be used. As such a magnetic material, a material containing a metal containing Co as a main component is typical, but other metals having an hcp structure can also be used. In addition, a material exhibiting perpendicular magnetic anisotropy that is an alloy of a rare earth element and an iron group transition element can also be used. Specific examples include GdFe, GdFeCo, TbFe, TbFeCo, DyFe, DyFeCo, and the like. In the case of a laminated structure, Co can be used as a ferromagnetic sublayer constituting the layered structure, and Pt or Pd can be used as a nonmagnetic sublayer.

中間層として非磁性金属を用いる場合には、Au, Cu, Cr, Zn, Ga, Nb, Mo, Ru, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Pt, Bi のうちのいずれか、あるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性金属中間層の厚さは、0.2nm-20nm の範囲内とすることが望ましい。   When using a non-magnetic metal as the intermediate layer, one of Au, Cu, Cr, Zn, Ga, Nb, Mo, Ru, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Pt, Bi, or these An alloy containing any one or more of the above can be used. The thickness of the nonmagnetic metal intermediate layer is preferably in the range of 0.2 nm to 20 nm.

また、中間層をトンネルバリア層として機能させる場合には、Al2O3(酸化アルミニウム)、SiO2(酸化シリコン)、MgO(酸化マグネシウム)、AlN(窒化アルミニウム)、Bi2O3(酸化ビスマス)、MgF2(フッ化マグネシウム)、CaF(フッ化カルシウム)、SrTiO2(酸化チタン・ストロンチウム)、AlLaO3(酸化ランタン・アルミニウム)、Al−N−O(酸化窒化アルニウム)、Si−N−O(酸化窒化シリコン)、非磁性半導体(ZnO、InMn、GaN、GaAs、TiO2, Zn、Te、またはそれらに遷移金属がドープされたもの)などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁中間層の厚さは、0.2nm-50nm の範囲内とすることが望ましい。中間層に絶縁体を用いることで、磁気抵抗比を高め、読み出しの効率を高めることができる。本素子においては、4つの抵抗値を区別することによって、データの読み出しを行うため、十分な読み出し出力を確保するために絶縁体中間層を用いることが好ましい。 When the intermediate layer functions as a tunnel barrier layer, Al 2 O 3 (aluminum oxide), SiO 2 (silicon oxide), MgO (magnesium oxide), AlN (aluminum nitride), Bi 2 O 3 (bismuth oxide) ), MgF 2 (magnesium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SrTiO 2 (titanium oxide / strontium), AlLaO 3 (lanthanum oxide / aluminum oxide), Al—N—O (aluminum oxynitride), Si—N -O (silicon oxynitride), a non-magnetic semiconductor (ZnO, InMn, GaN, GaAs , TiO 2, Zn, Te , or them that the transition metal doped) or the like can be used. These compounds do not need to have a completely accurate composition in terms of stoichiometry, and may be deficient or excessive or deficient in oxygen, nitrogen, fluorine, or the like. The thickness of the insulating intermediate layer is preferably in the range of 0.2 nm to 50 nm. By using an insulator for the intermediate layer, it is possible to increase the magnetoresistance ratio and increase the reading efficiency. In this element, since data is read by distinguishing four resistance values, it is preferable to use an insulator intermediate layer in order to ensure sufficient read output.

(実施例1)
本実施形態の実施例の1つとして図1の断面構造を持つ磁気記録素子の実施例1−1、1−2、を作製した。なお、図1には示されていないが、図に示された積層膜の上方に電極(配線)EL1が設けられ、下方に電極(配線)EL2が設けられている例を以下に示す。以下の記載において、()内の単位nm が付加された値は膜厚を示す。
(Example 1)
As one example of the present embodiment, Examples 1-1 and 1-2 of magnetic recording elements having the cross-sectional structure of FIG. 1 were produced. Although not shown in FIG. 1, an example in which an electrode (wiring) EL1 is provided above the laminated film shown in the drawing and an electrode (wiring) EL2 is provided below is shown below. In the following description, the value to which the unit nm in () is added indicates the film thickness.

実施例1−1:
電極EL1(Cu)/自由層FF1(Co:3nm)/中間層SL1(MgO:0.9nm)/固着層FP1(Co:5nm/PtMn:12nm/Co:5nm)/中間層SU2(Al23:0.8nm)/自由層FF2(Co:t2nm)/電極EL2(Cu)。
Example 1-1
Electrode EL1 (Cu) / Free layer FF1 (Co: 3 nm) / Intermediate layer SL1 (MgO: 0.9 nm) / Fixed layer FP1 (Co: 5 nm / PtMn: 12 nm / Co: 5 nm) / Intermediate layer SU2 (Al 2 O 3 : 0.8 nm) / free layer FF2 (Co: t 2 nm) / electrode EL2 (Cu).

実施例1−2:
電極EL1(Cu)/自由層FF1(Co:3nm)/中間層SL1(MgO:0.9nm)/固着層FP1(Co:5nm/PtMn:12nm/Co:5nm)/中間層SU2(Al23:0.8nm)/自由層FF2(Ni:3nm)/電極EL2(Cu)
これらの磁気記録素子は、以下の工程により作製した。
Example 1-2:
Electrode EL1 (Cu) / Free layer FF1 (Co: 3 nm) / Intermediate layer SL1 (MgO: 0.9 nm) / Fixed layer FP1 (Co: 5 nm / PtMn: 12 nm / Co: 5 nm) / Intermediate layer SU2 (Al 2 O 3 : 0.8 nm) / free layer FF2 (Ni: 3 nm) / electrode EL2 (Cu)
These magnetic recording elements were produced by the following steps.

まず、ウェーハの上方に下側電極EL2が形成される。次に、超高真空スパッタ装置を使って、自由層FF2 、中間層SU2 、固着層FP1 、反強磁性層AF1、中間層SL1、自由層FF1からなる積層構造が下側電極EL2の上に形成され、さらにその上にが形成される。各層の成膜時には、その層を構成する材料からなるターゲットを用いた。   First, the lower electrode EL2 is formed above the wafer. Next, a laminated structure including the free layer FF2, the intermediate layer SU2, the fixed layer FP1, the antiferromagnetic layer AF1, the intermediate layer SL1, and the free layer FF1 is formed on the lower electrode EL2 using an ultrahigh vacuum sputtering apparatus. And further on it is formed. When forming each layer, a target made of a material constituting the layer was used.

このウェーハを磁場中真空炉にて、270℃で約10時間、磁場中アニールして、強磁性層に一方向異方性が付与される。この膜に対し、EB(Electron Beam)レジストを塗布してEB露光した後、磁気記録素子の形状に応じたマスクが形成される。次にイオンミリング装置によりマスクに被覆されない領域がエッチングされる。セルの加工サイズは、100nm×50nmである。エッチング後、マスクが剥離され、さらにセルの相互間にSiO2 が超高真空スパッタ装置を使って成膜される。その後、表面はイオンミリングにより平滑化され、保護膜の表面を露出させる「頭出し」を行った。この保護膜の表面の上に上側電極EL1が形成される。この結果、図1の磁気記録素子を形成した。 The wafer is annealed in a magnetic field in a magnetic field vacuum furnace at 270 ° C. for about 10 hours to impart unidirectional anisotropy to the ferromagnetic layer. An EB (Electron Beam) resist is applied to the film and exposed to EB, and then a mask corresponding to the shape of the magnetic recording element is formed. Next, an area not covered with the mask is etched by an ion milling apparatus. The processing size of the cell is 100 nm × 50 nm. After etching, the mask is peeled off, and SiO 2 is deposited between the cells using an ultrahigh vacuum sputtering apparatus. Thereafter, the surface was smoothed by ion milling, and “cueing” was performed to expose the surface of the protective film. An upper electrode EL1 is formed on the surface of the protective film. As a result, the magnetic recording element of FIG. 1 was formed.

得られた実施例が意図した動作を行うかどうかは、各層の接合面に対して垂直方向に流す電流量に対する抵抗を測定することにより確認することができる。詳しくは、以下に述べる現象が確認できれば良い。   Whether or not the obtained embodiment performs the intended operation can be confirmed by measuring the resistance against the amount of current flowing in the direction perpendicular to the bonding surface of each layer. Specifically, it is only necessary to confirm the phenomenon described below.

まず、電流をImax>0 からImin<0 まで掃引し、各電流値での抵抗を測定する。ここで、電流の上限IMAX と下限IMIN の絶対値は十分大きな値(例えば10MA)にとる。この測定結果は、典型的には、図33のような電流依存性を示す。つまり、電流が負の範囲において、2回の不連続な抵抗変化が起こる。その閾値をIC(<;-), IC(>;-) とし、I>Ic(<;-),IC(>;-) <I<IC(<;-),IC(>;-)>I のときの抵抗値をそれぞれRa,Rb,Rc とする。   First, sweep the current from Imax> 0 to Imin <0, and measure the resistance at each current value. Here, the absolute values of the upper limit IMAX and the lower limit IMIN of the current are sufficiently large (for example, 10 MA). This measurement result typically shows current dependency as shown in FIG. That is, two discontinuous resistance changes occur in the current negative range. The threshold value is IC (<;-), IC (> ;-), and I> Ic (<;-), IC (> ;-) <I <IC (<;-), IC (>;-)> Let the resistance values at I be Ra, Rb, and Rc, respectively.

次に、電流をImin<0 からIMAX>0まで掃引し、各電流値での抵抗を測定する。この測定結果は、典型的には、図34のような電流依存性を示す。つまり、電流が正の範囲において、2回の不連続な抵抗変化が起こる。その閾値をIc(<;+), IC(>;+) とする。I<IC(<; +),IC(>; +)<Iのときの抵抗値は、それぞれRA,RCである。また、IC(<;+) <I<IC(>;+) のときの抵抗値をRdとすると、RbとRd は異なり(大小関係は不問)、RaおよびRcは、その間の値を示す。   Next, the current is swept from Imin <0 to IMAX> 0, and the resistance at each current value is measured. This measurement result typically shows current dependency as shown in FIG. That is, two discontinuous resistance changes occur in the positive current range. The threshold values are Ic (<; +), IC (>; +). The resistance values when I <IC (<; +), IC (>; +) <I are RA and RC, respectively. When the resistance value when IC (<; +) <I <IC (>; +) is Rd, Rb and Rd are different (the magnitude relationship is not important), and Ra and Rc indicate values between them.

以上の現象が確認できれば、”11 ”→ ”01 ”→ ”00 ”→ ”10 ”→ ”11 ”または”11 ”→ ”10 ”→ ”00 ”→ ”01 ”→ ”11 ”の書き込みが行われたことになる。   If the above phenomenon can be confirmed, "11" → "01" → "00" → "10" → "11" or "11" → "10" → "00" → "01" → "11" is written. It will be broken.

実施例1−1の構造において自由層FF2 の厚みt2 が異なる実施例をいくつか作製し、それぞれのサンプルについて、上記の動作確認を行ったところ、t2=1nm または、t2=9nm のときに、書き込み、読み出しの動作確認ができた。これは、2つの自由層の膜厚における非対称性が反転電流に差異を与えたことを意味している。つまり、一方の自由層の厚みが他方の自由層の厚みに比べて小さいとき、厚みの小さい方の反転電流が小さくなる。厚みの比を1を超える値にとらなければならなかったのは、正負の反転電流に非対称性を超える非対称性を膜厚に課さなければ正負の反転電流における大小関係の逆転が起こってしまうためである。   Several examples having different thicknesses t2 of the free layer FF2 in the structure of Example 1-1 were prepared, and the above operation was confirmed for each sample. When t2 = 1 nm or t2 = 9 nm, The operation of writing and reading was confirmed. This means that the asymmetry in the film thickness of the two free layers gave a difference in the reversal current. That is, when the thickness of one free layer is smaller than the thickness of the other free layer, the reversal current with the smaller thickness becomes smaller. The reason why the thickness ratio must be greater than 1 is that the reversal of the magnitude relationship in the positive / negative reversal current will occur unless the film thickness is given an asymmetry that exceeds the asymmetry of the positive / negative reversal current. It is.

また、実施例1−2の構造では、2つの自由層の膜厚は等しいが、書き込み、読み出しの動作確認ができた。これは、2つの自由層に用いる磁性材料の違いが反転効率に差異を与えたことを意味している。つまり、自由層FF2に、自由層FF1よりも低いスピン偏極率を持つ材料を用いているために自由層FF2の反転電流が小さくなっている。   Moreover, in the structure of Example 1-2, although the film thicknesses of two free layers were equal, the operation of writing and reading could be confirmed. This means that the difference in the magnetic material used for the two free layers gave a difference in the inversion efficiency. That is, since the free layer FF2 is made of a material having a lower spin polarization than that of the free layer FF1, the inversion current of the free layer FF2 is small.

(実施例2)
第2の実施形態の実施例として、図30の構造および以下の材料を持つ磁気記録素子の実施例2−1と、図31の構造および以下の材料を持つ磁気記録素子の実施例2−2、2−3を作製した。
(Example 2)
As examples of the second embodiment, Example 2-1 of the magnetic recording element having the structure of FIG. 30 and the following materials, and Example 2-2 of the magnetic recording element having the structure of FIG. 31 and the following materials are shown. 2-3 were produced.

実施例2−1:電極EL1(Cu)/自由層FF1(Co:3nm)/中間層SL1(Al2O3:0.7nm)/固着層FP1(Co:10nm/PtMn:10nm/Co:5nm/Ru:1nm/Co:4nm)/中間層SU2(Cu:4nm)/自由層FF2(Co:2.4 nm)/中間層SL2(MgO:0.8nm) /固着層FP2(Co:10nm/PtIrMn:20nm)/電極EL2(Cu)。 Example 2-1: Electrode EL1 (Cu) / Free layer FF1 (Co: 3 nm) / Intermediate layer SL1 (Al 2 O 3 : 0.7 nm) / Fixed layer FP1 (Co: 10 nm / PtMn: 10 nm / Co: 5 nm) / Ru: 1 nm / Co: 4 nm) / Intermediate layer SU2 (Cu: 4 nm) / Free layer FF2 (Co: 2.4 nm) / Intermediate layer SL2 (MgO: 0.8 nm) / Fixed layer FP2 (Co: 10 nm / PtIrMn: 20 nm) / electrode EL2 (Cu).

実施例2−2:電極EL1(Cu)/固着層FP0(IrMn:18nm/Co:10nm)/中間層SU1(MgO:0.9 nm)/自由層FF1(Co:3nm)/中間層SL1(Cu:6nm)/固着層FP1(Co:5nm/Ru:1nm/Co:5nm/PtIrMn:13nm/Co:12nm)/中間層SU2(Al2O3:0.7nm)/自由層FF2(Co:1nm)/中間層SL2 (Cu:4nm) /固着層FP2(Co:12nm/FeMn:15nm)/電極EL2(Cu)
実施例2−3:電極EL1(Cu)/固着層FP0(IrMn:18nm/Co:10nm)/中間層SU1(MgO:0.8 nm)/自由層FF1(Co:3nm)/中間層SL1(Cu:6nm)/固着層FP1(Co:5nm/Ru:1nm/Co:5nm/PtIrMn:13nm/Co:12nm)/中間層SU2(Al2O3:0.7nm)/自由層FF2(Co:2nm/FeNi:1nm)/中間層SL2 (Cu:4nm) /固着層FP2(Fe3O4:12nm/FeMn:15nm)/電極EL2(Cu)
得られたサンプルについて、実施例1で述べた判定法により書き込み、読み出しの動作確認ができた。
Example 2-2: Electrode EL1 (Cu) / Fixed layer FP0 (IrMn: 18 nm / Co: 10 nm) / Intermediate layer SU1 (MgO: 0.9 nm) / Free layer FF1 (Co: 3 nm) / Intermediate layer SL1 ( Cu: 6 nm) / fixed layer FP1 (Co: 5 nm / Ru: 1 nm / Co: 5 nm / PtIrMn: 13 nm / Co: 12 nm) / intermediate layer SU2 (Al 2 O 3 : 0.7 nm) / free layer FF2 (Co: 1 nm) / intermediate layer SL2 (Cu: 4 nm) / fixed layer FP2 (Co: 12 nm / FeMn: 15 nm) / electrode EL2 (Cu)
Example 2-3: Electrode EL1 (Cu) / Fixed layer FP0 (IrMn: 18 nm / Co: 10 nm) / Intermediate layer SU1 (MgO: 0.8 nm) / Free layer FF1 (Co: 3 nm) / Intermediate layer SL1 ( Cu: 6 nm) / fixed layer FP1 (Co: 5 nm / Ru: 1 nm / Co: 5 nm / PtIrMn: 13 nm / Co: 12 nm) / intermediate layer SU2 (Al 2 O 3 : 0.7 nm) / free layer FF2 (Co: 2 nm / FeNi: 1 nm) / intermediate layer SL2 (Cu: 4 nm) / fixed layer FP2 (Fe 3 O 4 : 12 nm / FeMn: 15 nm) / electrode EL2 (Cu)
With respect to the obtained sample, the operation of writing and reading could be confirmed by the determination method described in Example 1.

実施例2−1では、自由層の膜厚にも差があるが、実施例1−1で見られたほどの膜厚の差がなくても、正負の反転電流の大小関係が維持された。これは、以下のように説明される。実施例2−1では、自由層FF1と非磁性層を介して接する強磁性層はFP1の1層のみであるのに対し、自由層FF2と非磁性層を介して接する強磁性層はFP1とFP2の2層存在する。そのため、電流を正方向に流す場合、負方向に流す場合のそれぞれにおいて、自由層FF2の方が自由層FF1に比べて、高効率のスピントランスファトルクを受け、反転電流が小さくなる。   In Example 2-1, there is a difference in the film thickness of the free layer, but the magnitude relationship between the positive and negative reversal currents was maintained even if there was no difference in film thickness as seen in Example 1-1. . This is explained as follows. In Example 2-1, the ferromagnetic layer in contact with the free layer FF1 through the nonmagnetic layer is only one layer of FP1, whereas the ferromagnetic layer in contact with the free layer FF2 through the nonmagnetic layer is FP1. There are two layers of FP2. Therefore, in each of the case where the current flows in the positive direction and the case where the current flows in the negative direction, the free layer FF2 receives a higher efficiency spin transfer torque than the free layer FF1, and the inversion current becomes smaller.

つまり、図30に示したような、2つの自由層の間に非対称性が存在するような構造は、本発明を実施する上で有利な構造といえる。ここで言う2つの自由層の間の非対称性とは、詳しく述べると次のようになる。図30に示したように、自由層FF1と共有点を持つ平面L1によって、全空間は、2つの部分空間に分割される。2つの部分空間のうち、もう一方の自由層FF2を含まない方をΣ(1,A)とし、含む方をΣ(1,B)とする。同様に、自由層FF2と共有点を持つ平面L2によって、全空間は、2つの部分空間に分割される。2つの部分空間のうち、もう一方の自由層FF1を含まない方をΣ(2,A)とし、含む方をΣ(2,B)とする。このとき、Σ(1,A)には、固着層が存在しないが、Σ(2,A)には、固着層FP1が存在する。   That is, a structure in which asymmetry exists between the two free layers as shown in FIG. 30 can be said to be an advantageous structure for carrying out the present invention. The asymmetry between the two free layers mentioned here is as follows in detail. As shown in FIG. 30, the entire space is divided into two partial spaces by the plane L1 having the free layer FF1 and the common point. Of the two subspaces, the one that does not include the other free layer FF2 is Σ (1, A), and the one that includes it is Σ (1, B). Similarly, the entire space is divided into two partial spaces by a plane L2 having a common point with the free layer FF2. Of the two subspaces, the one that does not include the other free layer FF1 is Σ (2, A), and the one that includes it is Σ (2, B). At this time, the fixed layer does not exist in Σ (1, A), but the fixed layer FP1 exists in Σ (2, A).

実施例2−2では、自由層FF1と自由層FF2の膜厚が異なるため、異なる反転電流が得られた。実施例2−2では、自由層FF2の方が膜厚が小さいため反転電流が小さくなる。   In Example 2-2, since the film thicknesses of the free layer FF1 and the free layer FF2 were different, different inversion currents were obtained. In Example 2-2, since the free layer FF2 has a smaller film thickness, the inversion current becomes smaller.

実施例2−3では、材料に由来する素子の上半部と下半部における非対称性のために、異なる反転電流が得られた。実施例2−3では、自由層FF2の方が、高いスピン偏極率を持つ強磁性層(固着層FP2)に非磁性層を介して接しているため、高効率のスピントランスファトルクを受け、そのため、反転電流が小さくなる。   In Example 2-3, different inversion currents were obtained due to asymmetry in the upper half and lower half of the element derived from the material. In Example 2-3, since the free layer FF2 is in contact with the ferromagnetic layer (fixed layer FP2) having a high spin polarization rate via the nonmagnetic layer, it receives a highly efficient spin transfer torque, Therefore, the reversal current is reduced.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施形態に係る磁気記録素子は、1個の素子につき、n(>2)個の自由層を有し、nビットのデータを記録することが可能である。以下、このような磁気記録素子について図面を参照しつつ説明する。
(Second Embodiment)
The magnetic recording element according to the second embodiment of the present invention has n (> 2) free layers per element, and can record n-bit data. Hereinafter, such a magnetic recording element will be described with reference to the drawings.

<素子構造>
図35は、第2の実施形態に関わる磁気記録素子の断面模式図(一部省略)である。この磁気記録素子20は、強磁性層FP, FFと非磁性層SU, SLが交互に積層された構造を有し、そのうち、強磁性層は、磁化が固着された層(固着層FP)と磁化が可変な層(自由層FF)が交互に配置されている。図35では省略されているが、固着層の磁化方向を固着するための手段として、固着層と非磁性層の間に反強磁性層を配置することもできる。あるいは、固着層の磁化方向を固着する別の手段として、電子電流によって磁化が反転しない程度に強い保磁力を有する材料を固着層に用いることもできる。
<Element structure>
FIG. 35 is a schematic sectional view (partially omitted) of the magnetic recording element according to the second embodiment. The magnetic recording element 20 has a structure in which ferromagnetic layers FP and FF and nonmagnetic layers SU and SL are alternately stacked. Among them, the ferromagnetic layer includes a layer in which magnetization is fixed (fixed layer FP). Layers with variable magnetization (free layers FF) are alternately arranged. Although omitted in FIG. 35, as a means for fixing the magnetization direction of the fixed layer, an antiferromagnetic layer may be disposed between the fixed layer and the nonmagnetic layer. Alternatively, as another means for fixing the magnetization direction of the pinned layer, a material having a coercive force strong enough to prevent the magnetization from being reversed by an electron current can be used for the pinned layer.

強磁性層のそれぞれは、図12乃至19、図20乃至図26に示したような内部構造を有していてもよい。さらに、強磁性層を構成するサブレイヤーが、複数の強磁性層が積層された構造を有する場合もある。   Each of the ferromagnetic layers may have an internal structure as shown in FIGS. 12 to 19 and FIGS. 20 to 26. Furthermore, the sub-layer constituting the ferromagnetic layer may have a structure in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked.

自由層FFがn層あるとき、本磁気記録素子1つにつき、nビットのデータを格納することが可能である。i=1,2,...,n のそれぞれについて、上から第i 番目に位置する自由層をFF (i) と呼び、FF(i)に接する上下の非磁性層のうち上に位置する非磁性層をSU(i)、下に位置する非磁性層をSL(i)と呼ぶ。また、非磁性層SU(i)に接する固着層をFP(i-1)、非磁性層SL(i)に接する固着層をFP (i) と呼ぶ。SU(1)およびFP(0)は存在しない場合もありうる。SL(n)およびFP(n)は存在しない場合もありうる。   When there are n free layers FF, it is possible to store n-bit data for each magnetic recording element. For each of i = 1, 2, ..., n, the i-th free layer located from the top is called FF (i) and is located above the upper and lower nonmagnetic layers in contact with FF (i) The nonmagnetic layer is called SU (i), and the underlying nonmagnetic layer is called SL (i). The pinned layer in contact with the nonmagnetic layer SU (i) is referred to as FP (i-1), and the pinned layer in contact with the nonmagnetic layer SL (i) is referred to as FP (i). SU (1) and FP (0) may not exist. SL (n) and FP (n) may not be present.

自由層FF(i)が図12乃至19に示すような積層構造を有する場合、図35の構造において、固着層FP(i-1)を構成する強磁性サブレイヤーのうち最下部のものの磁化方向と、固着層FP(i)を構成する強磁性サブレイヤーのうち最上部のものの磁化方向は反平行になるように固着されていることが望ましい。このように磁化方向を配置することで自由層FF(i)の反転電流を低減化することができる。   When the free layer FF (i) has a laminated structure as shown in FIGS. 12 to 19, in the structure of FIG. 35, the magnetization direction of the lowest layer among the ferromagnetic sublayers constituting the fixed layer FP (i-1). It is desirable that the uppermost one of the ferromagnetic sublayers constituting the fixed layer FP (i) is fixed so that the magnetization directions thereof are antiparallel. By arranging the magnetization directions in this way, the reversal current of the free layer FF (i) can be reduced.

自由層FF(i)が図20乃至26に示すような積層構造を有する場合、図35の構造において固着層FP(i-1)を構成する強磁性サブレイヤーのうち最下部のものの磁化方向と、固着層FP(i)を構成する強磁性サブレイヤーのうち最上部のものの磁化方向は平行になるように固着されていることが望ましい。このように磁化方向を配置することで自由層FF(i)の反転電流を低減化することができる。尚、積層順については図35の上下を反転させてもよい。   When the free layer FF (i) has a stacked structure as shown in FIGS. 20 to 26, the magnetization direction of the lowermost one of the ferromagnetic sublayers constituting the fixed layer FP (i-1) in the structure of FIG. Of the ferromagnetic sublayers constituting the fixed layer FP (i), it is desirable that the uppermost one is fixed so that the magnetization directions thereof are parallel to each other. By arranging the magnetization directions in this way, the reversal current of the free layer FF (i) can be reduced. Note that the stacking order of FIG. 35 may be reversed.

<書き込み>
本実施形態に係る磁気記録素子のデータの書き込み方法は、第1の実施形態の場合と同様に、膜面に垂直方向に電流を流すことで行われる。
<Write>
The data writing method of the magnetic recording element according to the present embodiment is performed by passing a current in a direction perpendicular to the film surface, as in the case of the first embodiment.

i=1,2,...,n のそれぞれについて、正方向(図35の下から上に向かう方向)に十分大きな電流を流したとき、自由層FF(i)の磁化方向は、ある方向(第1の方向と呼ぶ)を向き、逆に負方向(図35の上から下に向かう方向)に十分大きな電流を流したとき第1の方向と逆方向を向く。自由層FF(i) に格納されるデータは、FF(i)の磁化方向が第1の方向を向いているとき「1」と定義し、第1の方向と逆方向を向いているとき「0」と定義する場合の書き込みの詳細について以下で説明する。   For each of i = 1, 2,..., n, when a sufficiently large current is passed in the positive direction (the direction from the bottom to the top in FIG. 35), the magnetization direction of the free layer FF (i) is a certain direction. It turns in the direction opposite to the first direction when a sufficiently large current is passed in the negative direction (the direction from the top to the bottom in FIG. 35). Data stored in the free layer FF (i) is defined as “1” when the magnetization direction of the FF (i) is in the first direction, and “1” when the magnetization direction is in the opposite direction to the first direction. Details of writing when it is defined as “0” will be described below.

電流I(>Ic(i; +)> 0)を流すことにより、自由層FF(i)に格納されたデータが「0」から「1」に反転する。また、電流I(<IC(I;-)< 0)を流すことにより、自由層FF(I)に格納されたデータが「1」から「0」に反転する。本磁気記録素子によって、2<SUP>n個の値を任意に書き込むことを可能にするためには、『任意のi,j(ただしi ≠ j)に対して、Ic(i;+) > Ic(j;+) ならば|Ic(i;-)| > |Ic(j;-)| である』ことが必要十分条件である。   By flowing the current I (> Ic (i; +)> 0), the data stored in the free layer FF (i) is inverted from “0” to “1”. Further, by flowing the current I (<IC (I; −) <0), the data stored in the free layer FF (I) is inverted from “1” to “0”. In order to make it possible to write 2 <SUP> n values arbitrarily with this magnetic recording element, for any i, j (where i ≠ j), Ic (i; +)> If Ic (j; +), then | Ic (i ;-) |> | Ic (j ;-) | ”is a necessary and sufficient condition.

なぜなら、仮に、あるI,j(ただしi ≠ j)に対してIc(i; +) > Ic(j; +) かつ|Ic(i;-)| < |IC(J;-)| であるか、または、IC(I; +) < IC(J; +) かつ|IC(I;-)| < |IC(J;-)| であるならば、第1の実施形態の書き込みの項で述べたように、2<SUP>n 個の値の中で、書き込めない値が発生するからである。   Because, for some I, j (where i ≠ j), Ic (i; +)> Ic (j; +) and | Ic (i ;-) | <| IC (J ;-) | Or IC (I; +) <IC (J; +) and | IC (I ;-) | <| IC (J ;-) | in the writing section of the first embodiment This is because, among the 2 <SUP> n values, a value that cannot be written occurs.

『任意のI, j(ただしi ≠ j)に対してIc(i; +) > Ic(j; +) ならば|Ic(i;-)| > |Ic(j;-)| である』という条件が成り立つ場合、例えば、次の手順により2n個の値を任意に書き込むことが可能である。 “If Ic (i; +)> Ic (j; +) for any I, j (where i ≠ j), then | Ic (i ;-) |> | Ic (j ;-) |” For example, 2 n values can be arbitrarily written by the following procedure.

まず、σ1,σ2,…,σn は、1,2,…,n を反転電流の大きいものから小さいものに並び替えたものとする(Ic(σ1; +) > Ic(σ2; +) > … > Ic(σn; +)および|Ic(σ1;-)| > |Ic(σ2;-)| > …> |Ic(σn;-)|が成り立つものとする)。   First, σ1, σ2,…, σn are obtained by rearranging 1,2,…, n from the one with the larger inversion current to the one with the smaller inversion current (Ic (σ1; +)> Ic (σ2; +)>… > Ic (σn; +) and | Ic (σ1 ;-) |> | Ic (σ2 ;-) |> ...> | Ic (σn ;-) |).

電流値Iw(1; +),Iw(2; +),…,Iw(n; +) をIw(1; +) > Ic(σ1; +) > Iw(2; +) > Ic(σ2; +) > … > Iw(n; +) > Ic(σn; +)を満たす任意の値にとる。電流値Iw(1;-); Iw(2;-)>…> Iw(n;-) を、Iw(1;-) < Ic(σ1;-) < Iw(2;-) < Ic(σ2;-) < … < Iw(n;-) < Ic(σn;-)を満たす任意の値にとる。   The current values Iw (1; +), Iw (2; +), ..., Iw (n; +) are changed to Iw (1; +)> Ic (σ1; +)> Iw (2; +)> Ic (σ2; +)>…> Iw (n; +)> Any value satisfying Ic (σn; +). Iw (1 ;-); Iw (2;-)>…> Iw (n ;-), Iw (1 ;-) <Ic (σ1 ;-) <Iw (2 ;-) <Ic (σ2 ;-) <… <Iw (n ;-) <Ic (σn ;-)

反転電流の大きい自由層から順に(自由層FF(σ1), FF(σ2), ..., FF(σn)の順に)、データb[1](=0 or 1), b[2](=0 or 1), ..., b[n]=(0 or 1) を書きこむ場合を考える。   Data b [1] (= 0 or 1), b [2] (in order from the free layer with the largest reverse current (in order of the free layer FF (σ1), FF (σ2), ..., FF (σn)) = 0 or 1), ..., b [n] = (0 or 1) is written.

まず、b[1], b[2],... を順に書き並べると0 または1がn 個並んだビット列b = b[1]b[2]…b[n] が得られる。(以下、説明を具体的にするために、n=6、b=110001を書き込む例を併記する。)
次に、ビット列bを同じ値が連続する部分列(この部分列をブロックと呼ぶ)ごとに分割する。ブロックの数をAとすると1≦A≦nである。(例えば、b=110001 は、11/000/1 と3つのブロックに分割できる。つまりA=3である。)
第aブロック(a=1,2,…,A)の先頭位置を、ビット列b全体の先頭から数えたもので指定することができ、これをm(a)と表記する。(上の例では、m(1)=1,m(2)=3,m(3)=6である。)
このとき、ビット列の先頭が1(つまり、b[1]= 1)ならば、Iw(m(1) = 1; +), Iw(m(2);-), Iw(m(3); +),...の順に電流をA回流すことによりビット列bに対応するデータを書き込むことができる。(例:Iw(1; +); Iw(3;-); Iw(6; +) の順で流す。)
また、ビット列の先頭が0(つまり、b[1]=0)ならば、Iw(m(1) = 1;-), Iw(m(2); +), Iw(m(3);-),... の順に電流をA回流すことにより本素子にビット列b に対応するデータを書き込むことができる。
First, b [1], b [2],... Are sequentially written to obtain a bit string b = b [1] b [2]... B [n] in which n pieces of 0 or 1 are arranged. (Hereinafter, an example of writing n = 6 and b = 110001 will be described together for the sake of concrete explanation.)
Next, the bit string b is divided for each partial sequence (referred to as a block) having the same value. When A is the number of blocks, 1 ≦ A ≦ n. (For example, b = 110001 can be divided into three blocks, 11/000/1. That is, A = 3.)
The head position of the a-th block (a = 1, 2,..., A) can be designated by counting from the head of the entire bit string b, which is denoted as m (a). (In the above example, m (1) = 1, m (2) = 3, m (3) = 6.)
At this time, if the beginning of the bit string is 1 (that is, b [1] = 1), Iw (m (1) = 1; +), Iw (m (2) ;-), Iw (m (3); Data corresponding to bit string b can be written by passing current A times in the order of +),. (Example: Iw (1; +); Iw (3 ;-); Iw (6; +))
If the beginning of the bit string is 0 (that is, b [1] = 0), Iw (m (1) = 1 ;-), Iw (m (2); +), Iw (m (3);- ),...,...,.

<読み出し>
本素子におけるデータの読み出し方法は、第1の実施形態の場合と同様に、膜面に垂直方向に電流を流し、磁気抵抗効果を用いることで行われる。自由層FF(i)の磁化方向に応じて固着層FP1(i-1) と固着層FP1(i)の間の電気抵抗はR (i) あるいはR (i) +ΔR(i)である。ここで、0≦x≦2n -1を満たす任意の整数xに対して、xを2進数表示したときの第i桁の数字をb(x,i) と定義する(b(x,i)=0 or 1 である)。さらに、函数b(x,i) を用いて、素子の電気抵抗を示す式(1)の函数r(x)を定義する。

Figure 0004359228
<Read>
As in the case of the first embodiment, the method of reading data in this element is performed by passing a current in a direction perpendicular to the film surface and using the magnetoresistance effect. Depending on the magnetization direction of the free layer FF (i), the electrical resistance between the pinned layer FP1 (i-1) and the pinned layer FP1 (i) is R (i) or R (i) + ΔR (i). Here, for any integer x satisfying 0 ≦ x ≦ 2 n −1, the number in the i-th digit when x is represented in binary is defined as b (x, i) (b (x, i) ) = 0 or 1). Furthermore, the function r (x) of the equation (1) indicating the electric resistance of the element is defined using the function b (x, i).
Figure 0004359228

素子が互いに異なる2n個の抵抗値を持つ、つまりr(0),r(1),…,r(2n -1)が互いに異なるように材料や膜厚、構造等を選ぶ必要がある。なお、読み出しの際のセンス電流の強度Isは、maxIc(1;-),…,Ic(n;-)<Is<minIc(1;+),…,Ic(n;+)を満たすようにとる。 It is necessary to select the material, film thickness, structure, etc. so that the elements have 2 n resistance values different from each other, that is, r (0), r (1), ..., r (2 n -1) are different from each other. . It should be noted that the intensity Is of the sense current during reading satisfies maxIc (1;-), ..., Ic (n;-) <Is <minIc (1; +), ..., Ic (n; +) Take.

(実施例3)
本実施形態の実施例3として、3ビット記録が可能な記録素子(サンプル1)を作製した。実施例1:電極EL1(Cu)/自由層FF1(Co:2.5nm)/中間層SL1(Al2O3:0.7nm)/固着層FP1(Co:4nm/Ru:1nm/Co:4nm/IrMn:15nm/Co:9nm)/中間層SU2(Cu:4nm)/自由層FF2(FeNi:2nm)/中間層SL2 (MgO:0.6nm) /固着層FP2(Co2CrAl:10nm/PtMn:14nm/Co2MnSi:12nm)/中間層SU3(MgO:0.8nm)/自由層FF3(Co:2nm/CoFeNi:1nm)/中間層SL3 (Cu:5nm) /固着層FP3(CoFe:10nm/PtIrMn:18nm)/電極EL2(Cu)
得られたサンプルについて、各層の接合面に対して垂直方向に電流を流し、電流値を変化させたときの抵抗の変化を調べた結果が図37、図38である。
(Example 3)
As Example 3 of this embodiment, a recording element (sample 1) capable of 3-bit recording was manufactured. Example 1: Electrode EL1 (Cu) / Free layer FF1 (Co: 2.5 nm) / Intermediate layer SL1 (Al 2 O 3 : 0.7 nm) / Fixed layer FP1 (Co: 4 nm / Ru: 1 nm / Co: 4 nm) / IrMn: 15 nm / Co: 9 nm) / Intermediate layer SU2 (Cu: 4 nm) / Free layer FF2 (FeNi: 2 nm) / Intermediate layer SL2 (MgO: 0.6 nm) / Fixed layer FP2 (Co2CrAl: 10 nm / PtMn: 14 nm) / Co2MnSi: 12 nm) / Intermediate layer SU3 (MgO: 0.8 nm) / Free layer FF3 (Co: 2 nm / CoFeNi: 1 nm) / Intermediate layer SL3 (Cu: 5 nm) / Fixed layer FP3 (CoFe: 10 nm / PtIrMn: 18 nm) ) / Electrode EL2 (Cu)
With respect to the obtained sample, the results of examining the change in resistance when a current was passed in the direction perpendicular to the bonding surface of each layer and the current value was changed are shown in FIGS.

(1) 電流を+10mAから-10mA まで掃引したところ、電流値が負の範囲で3度の不連続な変化が見られた。(図37)この閾値を絶対値の大きな方から順にIc(σ1; -),Ic(σ2; -),Ic(σ3;-)とする。   (1) When the current was swept from +10 mA to -10 mA, a discontinuous change of 3 degrees was observed in the negative current range. (FIG. 37) The threshold values are Ic (σ1; −), Ic (σ2; −), Ic (σ3; −) in order from the largest absolute value.

(2)電流を-10mA から+10mA まで掃引したところ、電流値が正の範囲で3度の不連続な変化が見られた。(図38)この閾値を絶対値の大きな方から順にIc(σ1; +),Ic(σ2; +),Ic(σ3; +)とする。 (2) When the current was swept from -10 mA to +10 mA, a discontinuous change of 3 degrees was observed in the positive current range. (FIG. 38) The threshold values are assumed to be Ic (σ1; +), Ic (σ2; +), Ic (σ3; +) in descending order of absolute value.

(3)Ic(σ1;-) < I1 < IC(Σ2;-) を満たす電流値I1 を選ぶ。電流を+10MA からI1 まで掃引し、その後、電流を正の方向に増加させると、I=I1からI=IC(Σ3; +)までは一定値をとり、I = IC(Σ3; +) において、不連続な変化が見られた。このとき、I > Ic(σ3; +) での抵抗値は、(1)(2)のときと異なる値だった(図37の(3)以降の抵抗値)。 (3) Select a current value I1 that satisfies Ic (σ1;-) <I1 <IC (Σ2 ;-). When the current is swept from + 10MA to I1, and then the current is increased in the positive direction, a constant value is obtained from I = I1 to I = IC (Σ3; +), and I = IC (Σ3; +) A discontinuous change was seen. At this time, the resistance value at I> Ic (σ3; +) was different from the values in (1) and (2) (resistance values after (3) in FIG. 37).

(4)Ic(σ1; +) < I1 < Ic(σ2; +) を満たす電流値I2 を選ぶ。電流を-10mA からI2 まで掃引し、その後、電流を減少(負方向に増加)させると、I=I2からI=Ic(σ3; -)までは一定値をとり、I = Ic(σ3;-) において、不連続な変化が見られた。このとき、I < Ic(σ3;-) での抵抗値は、(1)(2)のときと異なる値だった(図38の(4)以降の抵抗値)。 (4) A current value I2 that satisfies Ic (σ1; +) <I1 <Ic (σ2; +) is selected. When the current is swept from -10mA to I2, and then the current is decreased (increased in the negative direction), a constant value is obtained from I = I2 to I = Ic (σ3;-), and I = Ic (σ3;- ) Showed a discontinuous change. At this time, the resistance value at I <Ic (σ3 ;−) was a different value from those in (1) and (2) (resistance values after (4) in FIG. 38).

σ1; σ2; σ3 が1,2,3 のいずれであるかは不明であっても記録、再生に問題ない。ただし、本サンプルにおいてσ2 = 3 であることが以下により分かる。図37,38で計8個の異なる抵抗値が得られたが、このうち最大の値を示したのは、(3)の掃引におけるI > Ic(σ3; +) のときだった。このとき、格納されているデータb はb[σ1 ]= 1,b[σ2] = 0, b[σ3] = 1 のはずである。図36から最も抵抗が高い状態は”110 ”であるから、σ2 = 3 であることがわかる。   Even if it is unknown whether σ1; σ2; σ3 is 1, 2 or 3, there is no problem in recording and reproduction. However, it can be seen from the following that σ2 = 3 in this sample. A total of 8 different resistance values were obtained in FIGS. 37 and 38, but the maximum value was shown when I> Ic (σ3; +) in the sweep of (3). At this time, the stored data b should be b [σ1] = 1, b [σ2] = 0, b [σ3] = 1. FIG. 36 shows that σ2 = 3 because the state with the highest resistance is “110”.

また、固着層FP2 は固着層FP1よりもスピン分極率が高い材料をもちいていることから自由層FF2の方が自由層FF1よりも反転電流が低いと考えられる。つまり、本実施例において、σ1 = 1, σ3 = 2 であると考えられる。   In addition, since the pinned layer FP2 uses a material having a higher spin polarizability than the pinned layer FP1, the free layer FF2 is considered to have a lower inversion current than the free layer FF1. That is, in this embodiment, it is considered that σ1 = 1 and σ3 = 2.

(第3の実施の形態)
第1及び第2の実施形態に係る磁気記録素子は、微小かつ磁化反転機構を有することから、各種用途に適用できる。より詳しくは、これらの磁気記録素子を、多数並べることにより、MRAM等の記録再生装置に適用することができる。以下、これに関する実施形態について説明する。
(Third embodiment)
Since the magnetic recording elements according to the first and second embodiments are minute and have a magnetization reversal mechanism, they can be applied to various applications. More specifically, by arranging a large number of these magnetic recording elements, it can be applied to a recording / reproducing apparatus such as an MRAM. Hereinafter, an embodiment related to this will be described.

図39は、本実施形態に係る磁気記録装置の断面構造(一部)を模式的に示す図である。すなわち、本実施形態の磁気記録装置は、一般にワード線と呼ばれる電極層(下層配線)WL の上に複数の磁気記録素子Rが互いに並列に配置された構造を有する。磁気記録素子Rは、第1及び第2の実施形態のあらゆる構成の磁気記録素子のうちの任意のものにより実現される。各磁気記録素子Rは、絶縁膜Iによって、相互に電気的に絶縁されている。それぞれの磁気記録素子Rは、上部において、一般にビット線と呼ばれる電極層(上層配線)BLが接続されている。   FIG. 39 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure (part) of the magnetic recording apparatus according to the present embodiment. That is, the magnetic recording apparatus of this embodiment has a structure in which a plurality of magnetic recording elements R are arranged in parallel on an electrode layer (lower layer wiring) WL generally called a word line. The magnetic recording element R is realized by any one of the magnetic recording elements having any configuration of the first and second embodiments. The magnetic recording elements R are electrically insulated from each other by an insulating film I. Each magnetic recording element R is connected to an electrode layer (upper layer wiring) BL generally called a bit line at the top.

ビット線とワード線を指定することにより、特定の磁気記録素子Rを選択できる。   A specific magnetic recording element R can be selected by designating a bit line and a word line.

磁気記録素子Rへの記録は、電極層WLから磁気記録素子Rを通過し、電極層BLへと流れる電流、あるいは電極層BLから磁気記録素子Rを通過し、電極層WLへと流れる電流によりなされる。磁気記録素子のサイズ、構造、組成等により、各自由層について、正負の磁化反転電流値I(i; +) とI(i;-) が決定される。第1及び第2の実施形態の書き込みの項で述べたように、書き込み電流を1回からn回、メモリセルに流すことで記録が可能となる。   Recording on the magnetic recording element R is performed by current flowing from the electrode layer WL through the magnetic recording element R to the electrode layer BL, or current flowing from the electrode layer BL through the magnetic recording element R to the electrode layer WL. Made. Depending on the size, structure, composition, etc. of the magnetic recording element, positive and negative magnetization reversal current values I (i; +) and I (i ;−) are determined for each free layer. As described in the writing section of the first and second embodiments, recording can be performed by applying a write current to the memory cell from 1 to n times.

再生は、記録と同じく再生対象の記録素子と接続された電極層WL、BL 間に電流を流すことにより行われる。詳細は、第1及び第2の実施形態の読み出しの項で述べた通りである。   The reproduction is performed by passing a current between the electrode layers WL and BL connected to the recording element to be reproduced as in the recording. Details are as described in the section of reading in the first and second embodiments.

その際の電流の方向はどちらを向いていても構わない。再生の際は、記録されている情報が書き換えられないように、磁化反転電流の下限Imin=minIc(1;+),…,Ic(n;+),|Ic(1,-)|,…,|Ic(n,-)|よりも小さな再生電流Isを流す。そして電圧あるいは抵抗の値を検出することにより、記録されている情報が判定される。または、再生対象の記録素子の両端に電圧を印加し、記録素子を流れる電流の変化から記録状態を判定することもできる。 The direction of the current at that time may be either direction. During reproduction, the lower limit of the magnetization reversal current Imin = minIc (1; +), ..., Ic (n; +), | Ic (1,-) |, ... , | Ic (n,-) | The recorded information is determined by detecting the voltage or resistance value. Alternatively, a recording state can be determined from a change in current flowing through the recording element by applying a voltage across the recording element to be reproduced.

本実施形態の実施例の1つ(実施例4)として、実施例2−1と同様の構造を持つ磁気記録素子を用いた磁気記録装置について説明する。   As one example (Example 4) of the present embodiment, a magnetic recording apparatus using a magnetic recording element having the same structure as Example 2-1 will be described.

図40は、1つのメモリセルが、磁気記録素子Rと選択トランジスタTとを有する例である。磁気記録素子Rは、ビット線BLと選択トランジスタTの一端との間に接続される。選択トランジスタTの他端は、典型的には接地電位とされ、ゲートはワード線と接続される。メモリセルは、例えば以下の工程により作製される。すなわち、まず、半導体基板上に、リソグラフィー工程、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチング、イオン注入等の工程により、選択トランジスタT、および選択トランジスタTと電気的に接続された下層配線1が設けられる。次に、この下層配線上に実施例1に記載したのと同様の方法により、磁気記録素子Rが形成され、さらに磁気記録素子R上に上層配線BLが形成される。   FIG. 40 shows an example in which one memory cell includes a magnetic recording element R and a selection transistor T. The magnetic recording element R is connected between the bit line BL and one end of the selection transistor T. The other end of the selection transistor T is typically set to the ground potential, and the gate is connected to the word line. For example, the memory cell is manufactured by the following steps. That is, first, the selection transistor T and the lower layer wiring 1 electrically connected to the selection transistor T are formed on the semiconductor substrate by a lithography process, anisotropic etching such as RIE (Reactive Ion Etching), ion implantation, or the like. Is provided. Next, the magnetic recording element R is formed on the lower layer wiring by the same method as described in the first embodiment, and the upper layer wiring BL is further formed on the magnetic recording element R.

このようなメモリセルが、メモリセルアレイMCAにおいて行列状に配置され、同じ行に属するメモリセルの各選択トランジスタのゲートは、同じワード線WLと接続されている。同様に、同じ列に属するメモリセルの各記録素子は同じビット線BLと接続されている。そして、メモリセルアレイMCAの周囲にデコーダ、読み出し回路等が設けられる。ビット線BL、ワード線WLはデコーダ、読み出し回路等の周辺回路Sに接続される。   Such memory cells are arranged in a matrix in the memory cell array MCA, and the gates of the select transistors of the memory cells belonging to the same row are connected to the same word line WL. Similarly, the recording elements of the memory cells belonging to the same column are connected to the same bit line BL. A decoder, a readout circuit, and the like are provided around the memory cell array MCA. The bit line BL and the word line WL are connected to a peripheral circuit S such as a decoder and a read circuit.

デコーダにより、外部からのアドレス信号に応じたアドレスを有する磁気記録素子Rを通るビット線BL、ワード線WLに、書き込み電流、再生電流等が供給される。すなわち、再生または記録の際、対象の磁気記録素子Rと接続されたトランジスタTのワード線を選択することにより選択トランジスタTがオンとされる。次いで、この磁気記録素子Rと接続されたビット線に電流を流すことにより、記録、再生が行われる。   The decoder supplies a write current, a reproduction current, and the like to the bit line BL and the word line WL passing through the magnetic recording element R having an address corresponding to an address signal from the outside. That is, at the time of reproduction or recording, the selection transistor T is turned on by selecting the word line of the transistor T connected to the target magnetic recording element R. Next, recording and reproduction are performed by passing a current through the bit line connected to the magnetic recording element R.

本実施例では、磁気記録素子Rの選択に選択トランジスタTを用いたが、他のスイッチング素子を用いてもよい。できれば、オン時の抵抗が低抵抗のものが好ましい。例えば、図41に示すように、ダイオードDを用いてもよい。この場合、各メモリセルにおいて、直列接続された磁気記録素子RとダイオードDが、ワード線WLとビット線BLとの間に接続される。   In this embodiment, the selection transistor T is used to select the magnetic recording element R, but other switching elements may be used. If possible, it is preferable that the on-resistance is low. For example, a diode D may be used as shown in FIG. In this case, in each memory cell, the magnetic recording element R and the diode D connected in series are connected between the word line WL and the bit line BL.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気記録素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, specific dimensional relations and materials of each element constituting the magnetic recording element, and other shapes and materials such as electrodes, passivation, and insulation structure are appropriately selected from a known range by those skilled in the art. It is included in the scope of the present invention as long as it can be carried out in the same manner and the same effect can be obtained.

また、磁気記録素子における反強磁性層、中間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ、単層として形成しても良く、あるいは、2以上の層を積層した構造としても良い。   In addition, each component such as an antiferromagnetic layer, an intermediate layer, and an insulating layer in the magnetic recording element may be formed as a single layer, or may have a structure in which two or more layers are stacked.

その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記録素子や磁気記録装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうる全ての磁気記録素子、磁気記録装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all magnetic recording elements and magnetic recording devices that can be implemented by those skilled in the art based on the magnetic recording elements and magnetic recording devices described above as the embodiments of the present invention are also included in the gist of the present invention. As long as it is included, it belongs to the scope of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

本発明の第1の実施の形態に関わる磁気記録素子の断面模式図。1 is a schematic cross-sectional view of a magnetic recording element according to a first embodiment of the present invention. 第1の実施の形態の磁気記録素子に、2ビット情報を書き込む方法を説明するための断面模式図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of writing 2-bit information in the magnetic recording element of the first embodiment. 電流書き込み工程を説明するための図であり、左列は電流書き込み前の磁気記録素子が持つ符号を、右列は表した符号が電流書き込み後の磁気記録素子10の持つ符号を示す図。FIG. 4 is a diagram for explaining a current writing process, in which the left column shows the code of the magnetic recording element before current writing, and the right column shows the code of the magnetic recording element 10 after current writing. 電流書き込み工程を説明するための図であり、左列は電流書き込み前の磁気記録素子が持つ符号を、右列は表した符号が電流書き込み後の磁気記録素子10の持つ符号を示す図。FIG. 4 is a diagram for explaining a current writing process, in which the left column shows the code of the magnetic recording element before current writing, and the right column shows the code of the magnetic recording element 10 after current writing. 電流書き込み工程を説明するための図であり、左列は電流書き込み前の磁気記録素子が持つ符号を、右列は表した符号が電流書き込み後の磁気記録素子10の持つ符号を示す図。FIG. 4 is a diagram for explaining a current writing process, in which the left column shows the code of the magnetic recording element before current writing, and the right column shows the code of the magnetic recording element 10 after current writing. 電流書き込み工程を説明するための図であり、左列は電流書き込み前の磁気記録素子が持つ符号を、右列は表した符号が電流書き込み後の磁気記録素子10の持つ符号を示す図。FIG. 4 is a diagram for explaining a current writing process, in which the left column shows the code of the magnetic recording element before current writing, and the right column shows the code of the magnetic recording element 10 after current writing. 電流書き込み工程を説明するための図であり、左列は電流書き込み前の磁気記録素子が持つ符号を、右列は表した符号が電流書き込み後の磁気記録素子10の持つ符号を示す図。FIG. 4 is a diagram for explaining a current writing process, in which the left column shows the code of the magnetic recording element before current writing, and the right column shows the code of the magnetic recording element 10 after current writing. 電流書き込み工程を説明するための図であり、左列は電流書き込み前の磁気記録素子が持つ符号を、右列は表した符号が電流書き込み後の磁気記録素子の持つ符号を示す図。It is a figure for demonstrating an electric current writing process, the left column shows the code | symbol which the magnetic recording element before electric current writing has, and the code | symbol which the right column shows the code | symbol which the magnetic recording element after electric current writing has. 電流書き込みのための電流供給タイミングチャート。A current supply timing chart for current writing. 書き込み電流値の選択方法を説明する図。10A and 10B illustrate a method for selecting a write current value. 各記録状態と素子の電気抵抗を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating each recording state and the electrical resistance of an element. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の変形例を説明するための断面模式図。The cross-sectional schematic diagram for demonstrating the modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 固着層FP1または自由層FF1,FF2の別の変形例を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating another modification of fixed layer FP1 or free layer FF1, FF2. 非磁性層の厚さと、非磁性層を介して積層された2つの強磁性層間の交換結合強度との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the thickness of a nonmagnetic layer, and the exchange coupling strength between the two ferromagnetic layers laminated | stacked through the nonmagnetic layer. 第1の実施形態の磁気記録素子の変形例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the magnetic recording element of the first embodiment. 第1の実施形態の磁気記録素子の別の変形例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another modification of the magnetic recording element of the first embodiment. 第1の実施形態の磁気記録素子の別の変形例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another modification of the magnetic recording element of the first embodiment. 第1の実施形態の磁気記録素子の別の変形例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another modification of the magnetic recording element of the first embodiment. 第1の実施形態の磁気記録素子の別の変形例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another modification of the magnetic recording element of the first embodiment. 第1の実施例について、電流をImax>0からImin<0まで掃引する際の磁気記録素子の各電流値での抵抗値を示す図。The figure which shows the resistance value in each electric current value of a magnetic-recording element at the time of sweeping an electric current from Imax> 0 to Imin <0 about a 1st Example. 第1の実施例について、電流をImin<0からIMAX>0まで掃引する際の磁気記録素子の各電流値での抵抗値を示す図。The figure which shows the resistance value in each electric current value of a magnetic-recording element at the time of sweeping an electric current from Imin <0 to IMAX> 0 about a 1st Example. 本発明の第2の実施形態に係る磁気記録素子を説明するための断面模式図。Sectional schematic diagram for demonstrating the magnetic-recording element based on the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態に係る磁気記録素子における、記録磁化、抵抗値、及び記録された情報の符号の関係を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the relationship between recording magnetization, resistance value, and recorded information sign in a magnetic recording element according to a second embodiment. 本発明の実施例3に係る磁気記録素子について、接合面に対して垂直方向に正から負へ電流を掃引し、電流値を変化させたときの抵抗の変化を示す図。The figure which shows the change of resistance when a current is swept from positive to negative in the direction perpendicular to the bonding surface and the current value is changed in the magnetic recording element according to Example 3 of the present invention. 本発明の実施例3に係る磁気記録素子について、接合面に対して垂直方向に負から正へ電流を掃引し、電流値を変化させたときの抵抗の変化を示す図。The figure which shows the change of resistance when current is swept from negative to positive in the direction perpendicular to the bonding surface and the current value is changed in the magnetic recording element according to Example 3 of the present invention. 本発明の実施例4に係る磁気記録装置の磁気記録素子周辺部を示す断面模式図。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the periphery of a magnetic recording element of a magnetic recording apparatus according to Example 4 of the invention. 本発明の実施例4に係る磁気記録装置の回路構成を示す模式図。FIG. 9 is a schematic diagram showing a circuit configuration of a magnetic recording apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施例4に係る磁気記録装置の回路構成を示す模式図。FIG. 9 is a schematic diagram showing a circuit configuration of a magnetic recording apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

FF1, FF2・・・自由層
FP1・・・固着層
SL1, SU2・・・非磁性層
FF1, FF2 ... Free layer
FP1 ・ ・ ・ Fixed layer
SL1, SU2 ・ ・ ・ Nonmagnetic layer

Claims (4)

磁化方向が可変な磁性層(記録層)を有し、
スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電流の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、
前記磁化方向に応じた情報を記録可能な磁気記録素子であって、
磁化方向が可変な第1の磁性層(記録層)と、
前記第1の記録層上に形成された第1の非磁性層と、
前記第1の非磁性層上に形成され、磁性体を含み、磁化方向が固着された固着層と、
前記固着層上に形成された第2の非磁性層と、
前記第2の非磁性層上に形成され、磁化方向が可変な第2の磁性層(記録層)と、
を備え、
前記第1の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(1;+),Ic(1;−)とし、
前記第2の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(2;+),Ic(2;−)とすると、
Ic(1;+)>Ic(2;+)かつ|Ic(1;−)|>|Ic(2;−)|であることを特徴とする磁気記録素子。
It has a magnetic layer (recording layer) whose magnetization direction is variable,
Spin-polarized electrons are injected, and the magnetization direction changes according to the direction of spin-polarized current flow,
A magnetic recording element capable of recording information according to the magnetization direction,
A first magnetic layer (recording layer) having a variable magnetization direction;
A first nonmagnetic layer formed on the first recording layer;
A pinned layer formed on the first nonmagnetic layer, including a magnetic material, and having a magnetization direction fixed;
A second nonmagnetic layer formed on the pinned layer;
A second magnetic layer (recording layer) formed on the second nonmagnetic layer and having a variable magnetization direction;
With
The positive and negative reversal current critical values of the first magnetic layer are Ic (1; +), Ic (1 ;-),
When the positive and negative reversal current critical values of the second magnetic layer are Ic (2; +) and Ic (2 ;−),
A magnetic recording element characterized by Ic (1; +)> Ic (2; +) and | Ic (1 ;-) |> | Ic (2 ;-) | .
請求項1記載の磁気記録素子において、層ある記録層の厚みが互いに異なることを特
徴とする磁気記録素子。
2. The magnetic recording element according to claim 1, wherein two recording layers have different thicknesses.
請求項1に記載の磁気記録素子を備えることを特徴とする磁気記録装置。   A magnetic recording device comprising the magnetic recording element according to claim 1. 磁化方向が可変な磁性層(記録層)を有し、
スピン偏極した電子を注入され、スピン偏極した電流の流れの向きに応じて前記磁化方向が変化し、
前記磁化方向に応じた情報を記録可能な磁気記録素子であって、
磁化方向が可変な第1の磁性層(記録層)と、
前記第1の記録層上に形成された第1の非磁性層と、
前記第1の非磁性層上に形成され、磁性体を含み、磁化方向が固着された固着層と、
前記固着層上に形成された第2の非磁性層と、
前記第2の非磁性層上に形成され、磁化方向が可変な第2の磁性層(記録層)と、
を備え、
前記第1の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(1;+),Ic(1;−)とし、
前記第2の磁性層の正負の反転電流臨界値をIc(2;+),Ic(2;−)とすると、
Ic(1;+)>Ic(2;+)かつ|Ic(1;−)|>|Ic(2;−)|を満たす磁気記録素子について、
正の書き込み電流Iw(1;+),Iw(2;+)をIw(1;+)>Ic(1;+)>Iw(2;+)>Ic(2;+)を満たす値にとり、
負の書き込み電流Iw(1;−),Iw(2;−)をIw(1;−)<Ic(1;−)<Iw(2;−)<Ic(2;−)を満たす値にとり、
反転電流の大きい前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層から順にデータ列b[1](=0 or 1),b[2](=0 or 1)を書きこむ際に、
b[1]=0,b[2]=0を書き込む場合には、書き込み電流Iw(1;−)を流す工程と、
b[1]=1,b[2]=1を書き込む場合には、書き込み電流Iw(1;+)を流す工程と、
b[1]=0,b[2]=1を書き込む場合には、まず、書き込み電流Iw(1;+)を流し、次に、書き込み電流Iw(2;−)を流す工程と、
b[1]=1,b[2]=0を書き込む場合には、まず、書き込み電流Iw(1;−)を流し、次に、書き込み電流Iw(2;+)を流す工程と
を有することを特徴とする磁気記録方法。
It has a magnetic layer (recording layer) whose magnetization direction is variable,
Spin-polarized electrons are injected, and the magnetization direction changes according to the direction of spin-polarized current flow,
A magnetic recording element capable of recording information according to the magnetization direction,
A first magnetic layer (recording layer) having a variable magnetization direction;
A first nonmagnetic layer formed on the first recording layer;
A pinned layer formed on the first nonmagnetic layer, including a magnetic material, and having a magnetization direction fixed;
A second nonmagnetic layer formed on the pinned layer;
A second magnetic layer (recording layer) formed on the second nonmagnetic layer and having a variable magnetization direction;
With
The positive and negative reversal current critical values of the first magnetic layer are Ic (1; +), Ic (1 ;-),
When the positive and negative reversal current critical values of the second magnetic layer are Ic (2; +) and Ic (2 ;−),
Magnetic recording element satisfying Ic (1; +)> Ic (2; +) and | Ic (1 ;−) |> | Ic (2 ;−) |
The positive write currents Iw (1; +) and Iw (2; +) are set to values satisfying Iw (1; +)> Ic (1; +)> Iw (2; +)> Ic (2; +)
Negative write currents Iw (1 ;−), Iw (2 ;−) are set to values satisfying Iw (1; −) <Ic (1; −) <Iw (2; −) <Ic (2 ;−)
When writing the data strings b [1] (= 0 or 1) and b [2] (= 0 or 1) in order from the first magnetic layer and the second magnetic layer having a large reversal current,
when writing b [1] = 0, b [2] = 0, a step of passing a write current Iw (1 ;−);
when writing b [1] = 1, b [2] = 1, a step of passing a write current Iw (1; +);
When writing b [1] = 0 and b [2] = 1, first, a write current Iw (1; +) is passed, and then a write current Iw (2 ;−) is passed;
When writing b [1] = 1, b [2] = 0, first, a write current Iw (1 ;−) is passed, and then a write current Iw (2; +) is passed;
A magnetic recording method comprising:
JP2004347586A 2004-11-30 2004-11-30 Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method Expired - Fee Related JP4359228B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004347586A JP4359228B2 (en) 2004-11-30 2004-11-30 Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004347586A JP4359228B2 (en) 2004-11-30 2004-11-30 Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006156840A JP2006156840A (en) 2006-06-15
JP4359228B2 true JP4359228B2 (en) 2009-11-04

Family

ID=36634711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004347586A Expired - Fee Related JP4359228B2 (en) 2004-11-30 2004-11-30 Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4359228B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4661230B2 (en) * 2005-01-21 2011-03-30 ソニー株式会社 Memory element and memory
JP2008192916A (en) 2007-02-06 2008-08-21 Toshiba Corp Magnetic random access memory and writing method thereof
US20090218645A1 (en) * 2007-02-12 2009-09-03 Yadav Technology Inc. multi-state spin-torque transfer magnetic random access memory
US8058697B2 (en) * 2007-03-26 2011-11-15 Magic Technologies, Inc. Spin transfer MRAM device with novel magnetic synthetic free layer
WO2011135984A1 (en) * 2010-04-28 2011-11-03 株式会社日立製作所 Semiconductor recording device
JP5695451B2 (en) 2011-03-04 2015-04-08 株式会社東芝 Magnetic memory and magnetic memory device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006156840A (en) 2006-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7714399B2 (en) Magnetic memory element and magnetic memory apparatus
JP4575136B2 (en) Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and information recording method
US7119410B2 (en) Magneto-resistive effect element and magnetic memory
JP4371781B2 (en) Magnetic cell and magnetic memory
CN100407470C (en) Magnetic switching element and magnetic memory
US7889543B2 (en) Magnetic memory element and magnetic memory apparatus
US7355824B2 (en) Magnetoresistive effect element and magnetic memory having the same
US7018725B2 (en) Magneto-resistance effect element magneto-resistance effect memory cell, MRAM, and method for performing information write to or read from the magneto-resistance effect memory cell
US9444039B2 (en) Spin-transfer torque magnetic random access memory with perpendicular magnetic anisotropy multilayers
US8553450B2 (en) Magnetic random access memory and write method of the same
US7931976B2 (en) Magnetic recording element
US10256394B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory
US7269059B2 (en) Magnetic recording element and device
CN103137855B (en) Storage Elements and Storage Devices
JP2002319664A (en) Semiconductor memory device and method of manufacturing the same
CN101202325A (en) Storage Elements and Memory
JP4772845B2 (en) Magnetic random access memory and manufacturing method thereof
US20090052237A1 (en) Magnetic memory device and magnetic memory apparatus
JP2007201059A (en) Magnetic element, magnetic recording apparatus and writing method
JP4359228B2 (en) Magnetic recording element, magnetic recording apparatus, and magnetic recording method
US6898115B2 (en) Magnetoresistive element, and magnetic memory using the same
JP2016046442A (en) Magnetic storage element and magnetic memory
JP2009176806A (en) Nonvolatile magnetic memory device

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090406

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090417

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090615

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090717

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090807

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120814

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120814

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120814

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130814

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees